Onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om batterij-elektroden microscopisch te bekijken terwijl ze in natte elektrolyten baden. het nabootsen van realistische omstandigheden in echte batterijen. Terwijl biowetenschappelijke onderzoekers regelmatig transmissie-elektronenmicroscopie gebruiken om natte omgevingen te bestuderen, deze keer hebben wetenschappers het met succes toegepast op onderzoek naar oplaadbare batterijen.

De resultaten, gerapporteerd in het nummer van 11 december van Nano-letters , zijn goed nieuws voor wetenschappers die batterijmaterialen bestuderen onder droge omstandigheden. Het werk toonde aan dat veel aspecten onder droge omstandigheden kunnen worden bestudeerd, die veel gemakkelijker te gebruiken zijn. Echter, natte omstandigheden zijn nodig om de moeilijk te vinden vaste elektrolyt-interfaselaag te bestuderen, een coating die zich ophoopt op het oppervlak van de elektrode en de batterijprestaties drastisch beïnvloedt.

"De vloeibare cel gaf ons wereldwijde informatie over hoe de elektroden zich gedragen in een batterijomgeving, " zei materiaalwetenschapper Chongmin Wang van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy. "En het zal ons helpen de vaste elektrolytlaag te vinden. Het was moeilijk om direct voldoende gedetailleerd te visualiseren."

Eb, Stromen, Zwellen

Ook al lijkt elektriciteit onzichtbaar, het opslaan en gebruiken in batterijen heeft een aantal zeer fysieke effecten. Het opladen van een batterij zet elektronen vast in de negatieve elektrode, waar positief geladen lithiumionen (of een ander metaalion zoals natrium) naar binnen stormen om de elektronen te ontmoeten en vast te houden. Die ionen moeten in de poriën van de elektrode passen.

Door een apparaat met een batterij van stroom te voorzien, stromen de elektronen uit de elektrode. De positieve ionen, achtergelaten, golf door het lichaam van de batterij en keer terug naar de positieve elektrode, waar ze wachten op een nieuwe lading.

Wang en collega's hebben krachtige microscopen gebruikt om te kijken hoe het ebben en stromen van positief geladen ionen elektroden vervormen. Door in de poriën van de elektrode te knijpen, zwellen de elektroden op, en herhaald gebruik kan ze verslijten. Bijvoorbeeld, recent werk gefinancierd door het Joint Centre for Energy Storage Research - een DOE Energy Innovation Hub opgericht om de ontwikkeling van batterijen te versnellen - toonde aan dat natriumionen bellen achterlaten, mogelijk interfereren met de batterijfunctie.

Maar tot nu toe, de transmissie-elektronenmicroscopen hebben alleen droge batterijcellen kunnen herbergen, die onderzoekers open cellen noemen. In een echte batterij, elektroden baden in vloeibare elektrolyten die zorgen voor een omgeving waar ionen gemakkelijk doorheen kunnen bewegen.

Dus, werken met JCESR-collega's, Wang leidde de ontwikkeling van een natte batterijcel in een transmissie-elektronenmicroscoop bij EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory van de DOE op de PNNL-campus. Het team bouwde een batterij die zo klein was dat er meerdere op een dubbeltje konden passen. De batterij had één siliciumelektrode en één lithiummetaalelektrode, beide in een bad met elektrolyt.

Mysterie laag

Toen het team de batterij oplaadde, ze zagen de siliciumelektrode opzwellen, zoals verwacht. Echter, onder droge omstandigheden, de elektrode is aan het ene uiteinde bevestigd aan de lithiumbron - en de zwelling begint aan slechts één uiteinde terwijl de ionen naar binnen dringen, het creëren van een voorsprong. In de vloeibare cel van deze studie, lithium kan overal langs de lengte van de elektrode het silicium binnendringen. Het team keek toe hoe de elektrode tegelijkertijd over de hele lengte opzwol.

"De elektrode werd gelijkmatig dikker en dikker. Dit is hoe het zou gebeuren in een batterij, " zei Wang.

De totale hoeveelheid die de elektrode zwol was ongeveer hetzelfde, Hoewel, of de onderzoekers een droge of natte batterijcel hebben opgezet. Dat suggereert dat onderzoekers beide condities kunnen gebruiken om bepaalde aspecten van batterijmaterialen te bestuderen.

"We hebben batterijmaterialen bestudeerd met de droge, open cel voor de laatste vijf jaar, " zei Wang. "We zijn blij te ontdekken dat de open cel nauwkeurige informatie geeft over hoe elektroden zich chemisch gedragen. Het is veel gemakkelijker om te doen, dus we zullen ze blijven gebruiken."

Voor zover de ongrijpbare interfaselaag van vaste elektrolyt gaat, Wang zei dat ze het in dit eerste experiment niet konden zien. In toekomstige experimenten, ze zullen proberen de dikte van de natte laag met minstens de helft te verminderen om de resolutie te verhogen, die voldoende details zou kunnen opleveren om de interfaselaag van vaste elektrolyt te observeren.

"Er wordt aangenomen dat de laag eigenaardige eigenschappen heeft en de laad- en ontlaadprestaties van de batterij beïnvloedt, "zei Wang. "Echter, onderzoekers hebben geen beknopt begrip of kennis van hoe het zich vormt, zijn structuur, of zijn chemie. Ook, hoe het verandert met herhaaldelijk opladen en ontladen blijft onduidelijk. Het is heel mysterieus spul. We verwachten dat de vloeibare cel ons zal helpen om deze mysterieuze laag te ontdekken."