(PhysOrg.com) -- Een doorbraak in componenten voor batterijen van de volgende generatie zou kunnen komen van speciale materialen die hun structuur transformeren om in de loop van de tijd beter te presteren.

Een team van onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, onder leiding van Argonne nanowetenschapper Tijana Rajh en batterij-expert Christopher Johnson, ontdekte dat nanobuisjes bestaande uit titaniumdioxide van fase kunnen veranderen als een batterij wordt gefietst, geleidelijk hun operationele capaciteit op te voeren. Laboratoriumtests hebben aangetoond dat nieuwe batterijen die met dit materiaal zijn gemaakt, in minder dan 30 seconden tot de helft van hun oorspronkelijke capaciteit kunnen worden opgeladen.

Door conventionele grafietanodes uit te wisselen voor anodes die zijn samengesteld uit de titanium nanobuisjes, Rajh en haar collega's waren getuige van een verrassend fenomeen. Terwijl de batterij verschillende keren werd opgeladen en ontladen, de interne structuur begon zich te oriënteren op een manier die de prestaties van de batterij drastisch verbeterde.

"We hadden niet verwacht dat dit zou gebeuren toen we voor het eerst met het materiaal begonnen te werken, maar de anode nam spontaan de beste structuur aan, "Zei Rajh. "Er is een interne soort plasticiteit in het systeem waardoor het kan veranderen als de batterij wordt gefietst."

Volgens Argonne nanowetenschapper Hui Xiong, die met Rajh samenwerkte om het nieuwe anodemateriaal te ontwikkelen, titaandioxide leek onwaarschijnlijk dat het grafiet adequaat zou kunnen vervangen. "We zijn begonnen met een materiaal waarvan we nooit hadden gedacht dat het een functioneel gebruik zou hebben, en het werd iets dat ons het best mogelijke resultaat gaf, " ze zei.

Een van de andere onderzoekers in Rajh's groep, Sanja Tepavcevic, heeft een vergelijkbare aanpak gevolgd om een ​​zelfverbeterende structuur voor een natrium-ion-nanobatterij te maken.

"Dit is hoogst ongebruikelijk materieel gedrag, " voegde Jeff Chamberlain toe, een chemicus uit Argonne die het grote initiatief voor energieopslag van het laboratorium leidt. "We zien enkele faseovergangen op nanoschaal die vanuit wetenschappelijk oogpunt erg interessant zijn, en het is het diepere begrip van het gedrag van deze materialen dat mysteries zal ontrafelen van materialen die worden gebruikt in opslagsystemen voor elektrische energie."

De reden dat titaniumdioxide een onwaarschijnlijke oplossing leek voor de ontwikkeling van batterijen, ligt in de amorfe aard van het materiaal. Omdat amorfe materialen geen interne orde hebben, ze missen de speciale elektronische eigenschappen van sterk geordende kristallijne materialen. Echter, Het is niet bekend dat amorfe materialen zulke diepgaande structurele transformaties ondergaan tijdens het fietsen, volgens Rajh. De meeste bekende batterijmaterialen ondergaan de tegenovergestelde overgang:ze beginnen als zeer kristallijn en verpulveren tot een amorfe toestand tijdens het fietsen.

Het hebben van anodes die zijn samengesteld uit titaniumdioxide in plaats van grafiet verbetert ook de betrouwbaarheid en veiligheid van lithium-ionbatterijen. In bepaalde gevallen, lithium kan uit de oplossing komen en neerslaan op de grafietanodes, veroorzaakt een gevaarlijke kettingreactie die bekend staat als thermische runaway. "Elk type test dat we hebben uitgevoerd op titaniumanodes heeft aangetoond dat ze uitzonderlijk veilig zijn, ' zei Chamberlain.

De ontdekking van Argonne kwam voort uit een samenwerking tussen twee van de belangrijkste gebruikersfaciliteiten van het laboratorium:het Center for Nanoscale Materials en de Advanced Photon Source. Door ultramoderne nanofabricagetechnieken te combineren met röntgenstralen met hoge intensiteit om de nanobuisjes te karakteriseren, de Argonne-onderzoekers waren in staat om dit ongewone gedrag snel te observeren.