Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben de eerste 3D-waarnemingen gedaan van hoe de structuur van een lithium-ionbatterijanode op nanoschaal evolueert in een echte batterijcel terwijl deze ontlaadt en oplaadt. De details van dit onderzoek, beschreven in een paper gepubliceerd in Angewandte Chemie , zou kunnen wijzen op nieuwe manieren om batterijmaterialen te ontwikkelen om de capaciteit en levensduur van oplaadbare batterijen te vergroten.

"Dit werk biedt een directe manier om in de elektrochemische reactie van batterijen op nanoschaal te kijken om het mechanisme van structurele degradatie dat optreedt tijdens de laad-/ontlaadcycli van een batterij beter te begrijpen, " zei Brookhaven-natuurkundige Jun Wang, die het onderzoek leidde. "Deze bevindingen kunnen worden gebruikt om de engineering en verwerking van geavanceerde elektrodematerialen te begeleiden en theoretische simulaties te verbeteren met nauwkeurige 3D-parameters."

Chemische reacties waarbij lithiumionen van een negatief geladen elektrode naar een positieve gaan, voeren elektrische stroom van een lithium-ionbatterij naar apparaten zoals laptops en mobiele telefoons. Wanneer een externe stroom wordt toegepast, zeg, door het apparaat in een stopcontact te steken, verloopt de reactie omgekeerd om de batterij op te laden.

Wetenschappers weten al lang dat herhaald laden/ontladen (lithiatie en delithiatie) microstructurele veranderingen in het elektrodemateriaal introduceert, in het bijzonder in sommige anodematerialen op basis van silicium en tin met hoge capaciteit. Deze microstructurele veranderingen verminderen de capaciteit van de batterij - de energie die de batterij kan opslaan - en de levensduur van de batterij - hoe vaak de batterij tijdens zijn levensduur kan worden opgeladen. In detail begrijpen hoe en wanneer in het proces de schade optreedt, kan wijzen op manieren om deze te voorkomen of te minimaliseren.

"Het was een hele uitdaging om de microstructurele evolutie en veranderingen in de verdeling van de chemische samenstelling in 3D in elektroden direct te visualiseren wanneer een echte batterijcel wordt opgeladen en ontladen, " zei Wang.

Een team onder leiding van Vanessa Wood van de universiteit ETH Zürich, werkzaam bij de Zwitserse lichtbron, onlangs uitgevoerd in situ 3D-tomografie met een resolutie van micrometerschaal tijdens het opladen en ontladen van batterijcellen.

Het bereiken van resolutie op nanoschaal is het uiteindelijke doel geweest.

"Voor de eerste keer, " zei Wang, "we hebben de microstructurele details van een werkende batterijanode in 3D vastgelegd met een resolutie op nanoschaal, met behulp van een nieuwe in-situ microbatterijcel die we hebben ontwikkeld voor synchrotron x-ray nanotomografie - een hulpmiddel van onschatbare waarde om dit doel te bereiken." Deze vooruitgang biedt een krachtige nieuwe bron van inzicht in microstructurele degradatie.

Een microbatterij bouwen

Het ontwikkelen van een werkende microbatterijcel voor röntgen 3D-beeldvorming op nanoschaal was een hele uitdaging. Gewone knoopcelbatterijen zijn niet klein genoeg, plus ze blokkeren de röntgenstraal wanneer deze wordt geroteerd.

"De hele microcel moet minder dan één millimeter groot zijn, maar met alle batterijcomponenten - de elektrode die wordt bestudeerd, een vloeibaar elektrolyt, en de tegenelektrode ondersteund door relatief transparante materialen om transmissie van de röntgenstralen mogelijk te maken, en goed verzegeld om ervoor te zorgen dat de cel normaal kan werken en stabiel is voor herhaald fietsen, " zei Wang. Het artikel legt in detail uit hoe het team van Wang een volledig functionerende batterijcel bouwde met alle drie de batterijcomponenten in een kwartscapillair met een diameter van één millimeter.

Door de cel in het pad van röntgenstralen met hoge intensiteit te plaatsen die worden gegenereerd op bundellijn X8C van Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS), de wetenschappers maakten meer dan 1400 tweedimensionale röntgenfoto's van het anodemateriaal met een resolutie van ongeveer 30 nanometer. Deze 2D-beelden werden later gereconstrueerd tot 3D-beelden, net als een medische CT-scan, maar met helderheid op nanometerschaal. Omdat de röntgenstralen door het materiaal gaan zonder het te vernietigen, de wetenschappers waren in staat om vast te leggen en te reconstrueren hoe het materiaal in de loop van de tijd veranderde terwijl de cel zich ontlaadde en oplaadde, cyclus na cyclus.

Met behulp van deze methode, de wetenschappers onthulden dat, "ernstige microstructurele veranderingen treden op tijdens de eerste delithiatie en de daaropvolgende tweede lithiatie, waarna de deeltjes structureel evenwicht bereiken zonder verdere significante morfologische veranderingen."

specifiek, de deeltjes waaruit de op tin gebaseerde anode bestaat ontwikkelden significante krommingen tijdens de vroege laad-/ontlaadcycli, wat leidde tot hoge spanning. "We stellen voor dat deze hoge spanning leidde tot breuk en verpulvering van het anodemateriaal tijdens de eerste delithiatie, " zei Wang. Extra concave kenmerken na de eerste delithiatie veroorzaakten verder structurele instabiliteit in de tweede lithiation, maar daarna kwamen er geen significante veranderingen.

"Na deze eerste twee cycli, de tinanode vertoont een stabiel ontladingsvermogen en omkeerbaarheid, ' zei Wang.

"Onze resultaten suggereren dat de substantiële microstructurele veranderingen in de elektroden tijdens de initiële elektrochemische cyclus - vorming genoemd in de energieopslagindustrie - een kritische factor zijn die van invloed is op hoe een batterij veel van zijn huidige capaciteit behoudt nadat deze is gevormd, "Zei ze. "Normaal gesproken verliest een batterij een aanzienlijk deel van zijn capaciteit tijdens dit initiële vormingsproces. Onze studie zal het begrip verbeteren van hoe dit gebeurt en ons helpen betere controles van het vormingsproces te ontwikkelen met als doel de prestaties van energieopslagapparaten te verbeteren."

Wang wees erop dat terwijl de huidige studie specifiek keek naar een batterij met tin als anode, de elektrochemische cel die haar team ontwikkelde en de röntgennanotomografietechniek kan worden toegepast op studies van andere anode- en kathodematerialen. De algemene methodologie voor het monitoren van structurele veranderingen in drie dimensies terwijl materialen werken, biedt ook de mogelijkheid om chemische toestanden en fasetransformaties in katalysatoren te volgen, andere soorten materialen voor energieopslag, en biologische moleculen.

De transmissie-röntgenmicroscoop die voor dit onderzoek wordt gebruikt, zal binnenkort worden verplaatst naar een full-field röntgenbeeldvorming (FXI) bundellijn bij NSLS-II, een synchrotronfaciliteit van wereldklasse die nu bijna voltooid is in Brookhaven Lab. Deze nieuwe faciliteit zal röntgenstralen produceren 10, 000 keer helderder dan die bij NSLS, dynamische studies van verschillende materialen mogelijk maken terwijl ze hun specifieke functies vervullen.