(PhysOrg.com) -- Nu industrieën en consumenten steeds meer op zoek zijn naar verbeterde batterijstroombronnen, Geavanceerde microscopie uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy biedt een ongekend perspectief op hoe lithium-ionbatterijen werken.

Een onderzoeksteam onder leiding van Nina Balke van ORNL, Stephen Jesse en Sergei Kalinin hebben een nieuw type scanning probe microscopie ontwikkeld, elektrochemische rekmicroscopie (ESM) genaamd, om de beweging van lithiumionen door het kathodemateriaal van een batterij te onderzoeken. Het onderzoek, "In kaart brengen op nanoschaal van ionendiffusie in een lithium-ionbatterijkathode" (Balke et al.), is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"We kunnen een gedetailleerd beeld geven van ionische beweging in nanometervolumes, die de modernste elektrochemische technieken zes tot zeven orden van grootte overtreft, " zei Kalinin. Onderzoekers bereikten de resultaten door met een ESM-sonde spanning aan te brengen op het oppervlak van de gelaagde kathode van de batterij. Door de overeenkomstige elektrochemische spanning te meten, of volumeverandering, het team kon visualiseren hoe lithiumionen door het materiaal stroomden. Conventionele elektrochemische technieken, die elektrische stroom analyseren in plaats van spanning, werken niet op nanoschaal omdat de elektrochemische stromen te klein zijn om te meten, Kalinin uitgelegd.

"Dit zijn de eerste metingen, voor zover we weten, van lithiumionenstroom bij deze ruimtelijke resolutie, ' zei Kalinin.

Lithium-ion batterijen, die elektronische apparaten aandrijven, van mobiele telefoons tot elektrische auto's, worden gewaardeerd om hun lage gewicht, hoge energiedichtheid en oplaadvermogen. Onderzoekers hopen de prestaties van de batterijen uit te breiden door ingenieurs een fijn afgestemde kennis van batterijcomponenten en -dynamiek te geven.

"We willen - vanuit een nanoschaalperspectief - begrijpen waardoor één batterij werkt en één batterij faalt. Dit kan worden gedaan door de functionaliteit ervan te onderzoeken op het niveau van een enkele korrel of een uitgebreid defect, ' zei Balken.

De ESM-beeldvorming van het team kan kenmerken weergeven zoals individuele granen, korrelclusters en defecten in het kathodemateriaal. De hoge resolutie mapping toonde, bijvoorbeeld, dat de lithiumionenstroom zich langs korrelgrenzen kan concentreren, wat kan leiden tot barsten en batterijstoringen. Onderzoekers zeggen dat dit soort fenomenen op nanoschaal moeten worden onderzocht en gecorreleerd met de algehele batterijfunctionaliteit.

"Zeer kleine veranderingen op nanometerniveau kunnen een enorme impact hebben op apparaatniveau, "Zei Balke. "Inzicht in de batterijen op deze lengteschaal zou kunnen helpen om suggesties te doen voor materiaaltechniek."

Hoewel het onderzoek zich richtte op lithium-ionbatterijen, het team verwacht dat zijn techniek kan worden gebruikt om andere elektrochemische vastestofsystemen te meten, inclusief andere batterijtypes, brandstofcellen en soortgelijke elektronische apparaten die ionische beweging op nanoschaal gebruiken voor informatieopslag.

"We zien deze methode als een voorbeeld van de soorten hogerdimensionale scanningsondetechnieken die we bij CNMS ontwikkelen en waarmee we de innerlijke werking van complexe materialen op nanoschaal kunnen zien, "Zei Jesse. "Dergelijke capaciteiten zijn bijzonder relevant voor het steeds belangrijker wordende gebied van energieonderzoek."