(Phys.org) -Lithium-ionbatterijen vormen het energetische hart van bijna alles wat met technologie, van mobiele telefoons tot tablets tot elektrische voertuigen. Dat komt omdat ze een bewezen technologie zijn, licht, langdurig en krachtig. Maar ze zijn niet perfect.

"Je haalt misschien zeven of acht uur uit je iPhone met één keer opladen, misschien een dag, " zegt Reza Shahbazian-Yassar, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Michigan Technological University. "Voor velen van ons is dit niet genoeg. Een volledig elektrische auto, zoals de Nissan Leaf, kan tot 100 mijl rijden op een enkele lading. Om een ​​massamarkt aan te spreken, het moet ongeveer 300 mijl zijn. We willen de kracht van deze systemen vergroten."

Om meer kracht uit lithium-ionbatterijen te halen, wetenschappers experimenteren met verschillende materialen en ontwerpen. Echter, de belangrijke actie in een batterij vindt plaats op atomair niveau, en het is vrijwel onmogelijk geweest om precies te weten te komen wat er op zo'n schaal gebeurt. Nutsvoorzieningen, Yassar heeft een apparaat ontwikkeld waarmee onderzoekers individuele lithiumionen kunnen afluisteren - en mogelijk de volgende generatie batterijen kunnen ontwikkelen.

Batterijen zijn vrij eenvoudig. Ze hebben drie hoofdcomponenten:een anode, een kathode en elektrolyt tussen de twee. Bij lithiumbatterijen, lithiumionen reizen heen en weer tussen de anode en de kathode terwijl de batterij ontlaadt en opnieuw wordt opgeladen. De anodes van lithium-ionbatterijen zijn meestal gemaakt van grafiet, maar wetenschappers testen andere materialen om te zien of ze langer meegaan.

"Zodra lithium in een elektrode komt, het benadrukt het materiaal, uiteindelijk tot een mislukking leiden, "zei Yassar. "Daarom kunnen veel van deze materialen veel lithium bevatten, maar ze gaan snel kapot.

"Als we deze veranderingen in de gastheerelektrode zouden kunnen waarnemen, vooral in het zeer vroege stadium van het opladen, we zouden strategieën kunnen bedenken om dat probleem op te lossen."

Tien jaar geleden, het observeren van lichte elementen zoals lithium of waterstof op atomair niveau zou uit den boze zijn geweest. Nutsvoorzieningen, echter, het is mogelijk om lichtatomen te zien met een aberratie gecorrigeerde scanning transmissie elektronenmicroscoop (AC-STEM). Yassar's team kon er een gebruiken met dank aan de Universiteit van Illinois in Chicago, waar hij gasthoogleraar is.

Om te bepalen hoe de gastheerelektrode verandert als lithiumionen erin komen, het team bouwde een nanobatterij in de AC-STEM-microscoop met behulp van een veelbelovend nieuw elektrodemateriaal, tinoxide, of SnO2. Vervolgens, ze zagen het opladen.

"We wilden de veranderingen in het tinoxide volgen aan de grens van de lithium-ionbeweging binnen de SnO2-elektrode, en dat deden we, " zei Yassar. "We waren in staat om te observeren hoe de individuele lithiumionen de elektrode binnenkomen."

De lithiumionen bewogen langs specifieke kanalen terwijl ze in de tinoxidekristallen stroomden in plaats van willekeurig in de gastheeratomen te lopen. Op basis van die gegevens, de onderzoekers konden de spanning berekenen die de ionen op de elektroden zetten.

De ontdekking heeft geleid tot vragen van industrieën en nationale laboratoria die geïnteresseerd zijn in het gebruik van zijn atomaire resolutie-capaciteit in hun eigen batterijontwikkelingswerk.

"Het is erg spannend, " zei Yassar. "Er zijn zoveel opties voor elektroden, en nu hebben we deze nieuwe tool die ons precies kan vertellen wat er met hen gebeurt. Voordat, we konden niet zien wat er aan de hand was; we waren gewoon aan het gissen."