(Phys.org) — Hightech "slimme ramen, " die donkerder worden om zonlicht te filteren als reactie op elektrische stroom, functioneren net als batterijen. Nutsvoorzieningen, Röntgenonderzoeken bij SLAC bieden een kristalhelder beeld van hoe het van kleur veranderende materiaal in deze vensters zich gedraagt ​​in een werkende batterij - informatie die nuttig kan zijn voor oplaadbare batterijen van de volgende generatie.

Onderzoekers installeerden ultradunne vellen smart-window-materiaal, nikkeloxide, als de anode in een lithium-ionbatterij, en gebruikte SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en apparatuur in andere laboratoria om de veranderende chemie en 3D-functies te bestuderen.

"We hebben onze aandacht verlegd van het veranderen van de kleur van deze materialen naar het gebruik ervan om lithiumionen op te slaan, maar het principe is hetzelfde " zei Feng Lin van het Lawrence Berkeley National Laboratory, hoofdauteur van de studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Slimme ramen hebben meerdere glaslagen die ultradunne films of nanokristallen coatings van materialen bevatten, zoals nikkeloxide. Wanneer een klein elektrisch veld wordt aangelegd, de lading beweegt door het glas naar het ultradunne materiaal, die dienst doet als elektrode, en het raam verandert van helder naar donker.

Eerdere studies hebben aangetoond dat de interactie van deze gespecialiseerde dunne materialen met het omringende glas structurele veranderingen veroorzaakt die de stroom van elektrische lading door het glas vergemakkelijken - een eigenschap die ook gunstig is voor batterijen.

In dit onderzoek, die nikkeloxide als batterij-elektrode gebruikt, onderzoekers konden voor het eerst precies zien wat er gebeurt wanneer de lithiumionen van de batterij contact maken met de nikkeloxidelaag en hoe de resulterende reactie zich vanuit verschillende punten verspreidt.

"Het begint als een zaadje, " zei Tsu-Chien Weng, een SSRL-stafwetenschapper die meewerkte aan het onderzoek. "Dan zijn er verschillende fronten voor de reactie, en uiteindelijk wordt een metalen frame gevormd."

In aanvulling, onderzoekers observeerden hoe het oppervlak van het nikkeloxide-materiaal "ademt" terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen.

"We ontdekten dat deze laag aan de oppervlakte groeide, uitbouwen, " zei Dennis Nordlund, een stafwetenschapper bij SSRL die aan het onderzoek heeft deelgenomen. "Dan gaat de laag weg. Het verdwijnt bijna volledig. Het is als een ademende laag. Het is niet per se specifiek voor nikkeloxide, en het heeft grote gevolgen voor batterijmaterialen."

Deze cyclische opbouw van afzettingen uit de elektrolyt, meestal aangeduid als de elektrode-elektrolyt-interface, is een integraal onderdeel van de meeste batterijmaterialen, maar was "een beetje een mysterie, "Nordlund zei, omdat het over het algemeen een uitdaging is om te studeren tijdens de werking van een batterij.

In een typische lithium-ionbatterij, geladen lithiumionen migreren door een chemische oplossing - de elektrolyt - in de anode wanneer de batterij wordt opgeladen en in de tegenoverliggende elektrode, de kathode genoemd, wanneer de batterij aan het ontladen is.

Omdat de ademende laag die op het nikkeloxidemateriaal wordt waargenomen zich opbouwt maar dan verdwijnt, het zou mogelijk de groei van "dendrieten, " boomachtige vingers van lithium waarvan bekend is dat ze zich vormen op andere soorten batterijmaterialen en de batterijprestaties verminderen.

"Als je kunt fietsen en de laag kunt verwijderen, zodat deze zich in de loop van de tijd niet opbouwt, zou dat een enorme stap voorwaarts zijn, ' zei Nordlund.

Onderzoekers gebruikten een techniek die bekend staat als röntgenabsorptiespectroscopie bij SSRL om het nikkeloxidemateriaal te onderzoeken op een diepte van ongeveer 5 en 50 nanometer, of miljardsten van een meter, tijdens de werking van de batterij.

"Het blijkt dat deze verschillende sonderingsdiepten perfect geschikt zijn voor het bestuderen van de elektronische structuur aan het oppervlak van batterijmaterialen, "Nordlund zei, eraan toevoegend dat deze mogelijkheden bij SSRL een venster openen voor het verkennen van veel materialen in actieve toestanden. "We voelen ons echt uniek gepositioneerd om veel verschillende problemen in de energiewetenschap aan te pakken met behulp van dezelfde methodologie."

De verkennende röntgentools bij SLAC en andere samenwerkende laboratoria zijn van cruciaal belang geweest bij het begrijpen van de eigenschappen van het nikkeloxidemateriaal op nanoschaal, zei Ryan Richards, een professor scheikunde aan de Colorado School of Mines die bij het onderzoek betrokken was.

"We hebben een aantal voorstellen ingediend om naar verschillende soorten materialen te kijken - hoe ze zich vormen en welke eigenschappen hun oppervlakken hebben, " zei Richards. Hij zei dat zijn voortdurende samenwerking met de SSRL-staf "echt uitgroeit tot een fijne relatie."

De SSRL-resultaten werden gekoppeld aan andere bevindingen van medewerkers, inclusief gedetailleerde 3D-beelden en films geproduceerd in Brookhaven National Laboratory. Huolin Xin van Brookhaven Lab stelde het onderzoeksteam samen, waaronder ook wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory en de Monash University in Australië.