(Phys.org) — Beginnend als een paar atomen lang, doornen die zich vormen op het oppervlak van de elektrode in een gespecialiseerde lithiumbatterij zorgen ervoor dat de batterij geleidelijk vervaagt, volgens wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en Argonne National Laboratory. Werken met krachtige beeldtechnologieën in DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), het team stelde vast dat een soort doorn met de kristallografische spinelstructuur uit het elektrodemateriaal groeit en uiteindelijk leidt tot de volledige omzetting van het hele elektrodemateriaal in de spinelstructuur. Verder, groei van deze spinelstructuur maakt lithiumoxidemoleculen vrij, scheuren en putjes veroorzaken. De beschadigde elektrode vervaagt daardoor, bij elke laad-/ontlaadcyclus komt er minder energie vrij.

"De veranderingen in de structuur zijn vrij subtiel na elke cyclische lading/ontlading van de batterij, " zei dr. Chongmin Wang, een PNNL-onderzoeker die het onderzoek leidde. "Beeldvorming op atoomniveau biedt de mogelijkheid om een ​​fundamenteel beeld te krijgen van hoe dit soort subtiele verandering evolueert."

Om de onafhankelijkheid van ons land van fossiele brandstoffen voor onze transportvloot te vergroten, is energieopslag nodig. Een lithiumrijk gelaagd composiet zou de energiedichtheid van batterijen met meer dan 50 procent kunnen verhogen. Echter, de batterij vervaagt. Bij herhaald gebruik, de spanning en hoeveelheid energie die omkeerbaar kan worden opgeslagen en vrijgegeven, neemt geleidelijk af. De oorzaak is een verandering of transformatie in de composiet, maar hoe en waar de transformaties of faseovergangen plaatsvinden stond ter discussie. Door voor en na gebruik afbeeldingen met atomaire resolutie van de elektrode van de batterij te maken en te analyseren, het team beantwoordde de vragen.

"Deze bevindingen en de vervolgstudies zijn van cruciaal belang voor toepassingen, inclusief energieopslag en elektrische voertuigen, " zei dr. Jun Liu, een hoofdrolspeler in het Joint Centre for Energy Storage Research en een materiaalwetenschapper van PNNL bij het onderzoek.

Het team begon met gelaagde lithiumbatterij-elektroden, waar de lagen slechts één atoom dik zijn. Het materiaal werd gesynthetiseerd in Argonne, waar het enkele jaren geleden werd uitgevonden. Het onderzoeksteam gebruikte een nieuwe energiedispersieve spectrometer (EDS) en een krachtige scanning-transmissie-elektronenmicroscoop om gedetailleerde informatie over de chemische samenstelling en atomaire structuur van de elektrodematerialen te verkrijgen. Het FEI-bedrijf, in Hillsboro, Oregon, leverde de EDS. Het bedrijf was op zoek naar uitstekende voorbeelden om de kracht van hun instrumenten te demonstreren. Met behulp van de EDS-spectrometer, het team identificeerde chemische inhomogeniteit en de correlatie met de faseveranderingen die in het materiaal plaatsvonden.

Het team gebruikte een nieuwe elektronenmicroscoop in EMSL om beelden met atomaire resolutie te verkrijgen. "Het werk met hoge resolutie is baanbrekend beeldvormingsonderzoek, " zei Dr. Nigel Browning, Chief Scientist in Microscopy voor het Chemical Imaging Initiative bij PNNL en onderzoeker van deze studie. "Het is een fantastische toepassing van microscopietechnieken met atomaire resolutie, en het bevestigt dat spinelvorming de oorsprong van spanningsvervaging kan verklaren door de exacte locatie van de spinel te bepalen, en hoe de hele structuur fragmenteert als de spinellen worden gevormd."

Veel van de mensen in dit project werken aan het vinden van nieuwe manieren om de materialen in de gelaagde lithiumbatterij te synthetiseren en te stabiliseren. "We werken als een team om het naar een hoger niveau te tillen - in situ-beelden. We willen de veranderingen op atomair niveau zien zoals ze zich voordoen, " zei Wang.