(Phys.org) —Alomtegenwoordig maar frustrerend, lithium-ionbatterijen vervagen doordat de materialen hun structuur verliezen als reactie op opladen en ontladen. Deze structurele verandering hangt nauw samen met de vorming van elektronenrijke gebieden binnen de elektrode, volgens wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), de Universiteit van Elektronische Wetenschap en Technologie van China, Noordwestelijke Universiteit, en Rensselaer Polytechnisch Instituut. Het team gebruikte experimenten en moleculaire simulaties om aan te tonen dat het elektronenrijke gebied ervoor zorgt dat siliciumbindingen breken. De bindingsbreuk transformeert kristallijn silicium in een amorfe legering van lithium en silicium.

"Het was absoluut niet duidelijk wat er aan de hand was, hoewel veel artikelen beschreven hoe het inbrengen van lithiumionen in materialen tot amorfisatie leidt, " zei dr. Fei Gao, een chemisch fysicus en een corresponderende auteur van het onderzoek. "We stellen voor dat lokale elektronenrijke omstandigheden amorfisatie induceren."

Zoals elke eigenaar van een mobiele telefoon weet, lithium-ionbatterijen vervagen, elke keer dat ze worden opgeladen, slaan ze minder energie op. Overuren, een batterij daalt tot het punt dat deze moet worden vervangen, tegen zowel milieu- als financiële kosten. Dit onderzoek legt uit wat er keer op keer in experimenten is gezien:batterijen laten werken met silicium, zinkoxide, germanium, of bepaalde andere isolatiematerialen leiden tot amorfe elektroden, maar aluminium of andere metalen blijven een kristallijne legering. De resultaten van deze studie kunnen helpen bij het ontwerpen van duurzamere materialen, niet alleen voor mobiele telefoons, maar ook voor elektrische auto's.

"De steeds groeiende energiebehoefte van informatie en transport is afhankelijk van de vooruitgang van technieken voor energieopslag, zoals lithium-ionbatterijen vanwege hun relatief hoge energiedichtheid en ontwerpflexibiliteit. Tijdige ontwikkeling van een betere batterij is de drijvende kracht voor het creëren van nieuwe materialen voor energieopslag, " zei Dr. Chongmin Wang, chemische beeldvormingsdeskundige bij PNNL en onderzoeker van deze studie.

Wanneer een lithium-ionbatterij wordt opgeladen, lithiumionen worden in de anode ingebracht, een proces dat bekend staat als lithiëring. De ionen van de anode beginnen door te worden gerangschikt in een goed gedefinieerd rooster, maar in bepaalde gevallen overgaan in een amorfe mengelmoes. In dit onderzoek, de wetenschappers gebruikten met fosfor gedoteerde silicium nanodraadanoden. De nanodraden werden gekweekt bij DOE's Center for Integrated Nanotechnologies, aan het Los Alamos National Laboratory en de Northwestern University, met behulp van chemische dampafzetting.

Het team nam de nanodraden mee naar DOE's EMSL, gevestigd bij PNNL, en assembleerde ze tot een kleine batterij in een aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscoop en observeerde lithiëring, bij roosterresolutie. Ze keken verder naar het gedrag van deze regio's met scanning transmissie-elektronenmicroscopiebeelden en spectroscopiekaarten voor elektronenenergieverlies. Om experimentele waarnemingen aan te vullen, ze bestudeerden op metaal gebaseerde elektroden met behulp van een grootschalige moleculaire dynamica-methode voor dichtheidsfunctionaaltheorie en zagen kristallen vormen. Het team onderzocht ook de reacties die resulteren in kristallijn lithiumsilicide onder elektronenrijke omstandigheden.

Ze ontdekten dat amorforisatie altijd begint op grensvlakken tussen het silicium en een lithium-siliciumlegering waar een gelokaliseerde hoge concentratie aan elektronen optreedt. Om je aan te passen aan de extra elektronen en een hoog niveau van lithiumionen die het rooster binnenkomen, de bindingen tussen siliciumatomen in het kristalrooster breken. De verbroken bindingen creëren geïsoleerde siliciumatomen en leiden tot de ongeordende fasen.

"De expertise op het gebied van zowel lithium-ionbatterijen als chemische beeldvorming gaf ons de voorsprong, " zei Dr. Louis Terminello, die het Chemical Imaging Initiative bij PNNL leidt, de hoofdsponsor van dit onderzoek.

De wetenschappers voeren computationele simulaties uit om experimenten te ondersteunen die gericht zijn op het volledig begrijpen van batterijen. Bijvoorbeeld, ze blijven het gedrag van grafeen onderzoeken, een materiaal van groot belang in de energieopslag. Ook, ze doen computationeel werk met experimentatoren om het gedrag van ionen in materialen voor de oplaadbare lithium-ionbatterij op te helderen, in het bijzonder de lithium-nikkel-mangaanoxide-kathode.