(PhysOrg.com) -- Bij het synthetiseren van gespecialiseerde materialen voor energierijke batterijen, het probleem is de sjabloon. Het patroon voor het zelf samenstellen van de zeer gewenste bolletjes ter grootte van een nanometer valt uit elkaar, waardoor onregelmatige metaaloxideklonten ontstaan. Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory hebben bepaald hoe de sjabloon intact kan worden gehouden. Het antwoord is zo simpel als het toevoegen van zout aan het proces.

Elektrische voertuigen en het elektriciteitsnet van het land zouden beide profiteren van energierijke, batterijen met een lange levensduur. Elektrische voertuigen kunnen grotere afstanden afleggen tussen ladingen. Het elektriciteitsnet zou kunnen profiteren van opgeslagen wind- en zonne-energie. Dergelijke batterijen vereisen nieuwe materialen met specifieke eigenschappen op nanoschaal. Helaas, het ontwerpen van deze materialen was een proces van vallen en opstaan. Wetenschappers ontwerpen liever sjablonen, meng reactanten, en laat de materialen zichzelf assembleren. Het probleem is dat de sjablonen niet blijvend zijn. Met de antwoorden uit dit onderzoek, wetenschappers kunnen identieke deeltjes maken die vervolgens worden samengevoegd tot batterij-elektroden.

"Dit onderzoek biedt fundamentele antwoorden die nodig zijn om hoogwaardige, goed gedefinieerde materialen die zullen werken als elektroden in lithium-ionbatterijen en lithium-luchtbatterijen van de volgende generatie, " zei dr. Maria Sushko, een materiaalwetenschapper van PNNL die samen met Dr. Jun Liu aan het onderzoek werkte.

Op basis van experimenteel onderzoek, de PNNL-onderzoekers voerden theoretische analyse uit op sjabloonstabiliteit voor zelfassemblage van titaniumdioxide en andere metaaloxidenanodeeltjes. De analyse was een klassieke dichtheidsfunctionaaltheorie, of cDFT, studie.

Het team onderzocht de sjabloon, die uit twee delen bestaat. Eerst, de basis is een laag goed gedefinieerde, geleidend grafeen. Het tweede deel is een oppervlakteactieve stof. De oppervlakteactieve stof is een molecuul dat wordt gedefinieerd door zijn "kop" en "staart"-chemie. De kop van het molecuul is hydrofoob of "watervrezend" en hecht zich aan het grafeen. De staart is hydrofiel en interageert met de oplossing die de ingrediënten bevat voor het vormen van de gewenste metaaloxidedeeltjes. De oppervlakteactieve stof vormt kleine heuveltjes op het grafeen die fungeren als een sjabloon voor de vorming van nanodeeltjes.

"Maar tenzij de oppervlakteactieve stoffen een stabiele structuur vormen, het geheel van wat je aan het bouwen bent valt uit elkaar, ' zei Sushko.

De wetenschappers ontdekten dat de sleutel tot sjabloonstabiliteit de introductie van een zout was, specifiek dubbel geladen kationen en enkelvoudig geladen anionen, in de mix. Vervolgens, het team gebruikte dit resultaat om te voorspellen hoe titaniumdioxide-nanodeeltjes op de sjabloon groeien. Ze ontdekten dat de deeltjes tussen de kuilen in de halfcilindrische sjablonen groeien. Echter, als de deeltjes de spleten ontgroeien, de sjabloon verandert van heuvels in een gladde, grasachtig oppervlak. Vervolgens, de deeltjes groeien inconsistent, samensmelten tot grotere clusters.

"Als we de resultaten van dit artikel [gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry B ], we kunnen nanodeeltjes in de besloten materie laten groeien om grotere, uniforme nanodeeltjes van metaaloxiden, zoals titaandioxide, wat erg belangrijk is voor het maken van de materialen die je nodig hebt voor elektroden voor batterijen, ' zei Sushko.

What's Next:Het team werkt aan een experimenteel onderzoek om een ​​grondig begrip te ontwikkelen van zelfassemblage en nucleatieprocessen die betrokken zijn bij de constructie van nanocomposietmaterialen. Deze aanstaande studie en soortgelijke studies zijn nodig om de mysteries van zelfassemblage te ontrafelen en wetenschappers in staat te stellen de materiële synthese te beheersen.