Lithium (Li)-ionenbatterijen voeden bijna alle draagbare elektronische apparaten die we dagelijks gebruiken, inclusief smartphones, camera's, speelgoed, en zelfs elektrische auto's. Onderzoekers over de hele wereld werken aan het vinden van materialen die zullen leiden tot veilige, goedkoop, langdurig, en krachtige Li-ion batterijen.

Werken bij verschillende lichtbronfaciliteiten van het Amerikaanse Department of Energy en aan de universiteiten van Cambridge en Stony Brook, een groep onderzoekers heeft onlangs een klasse Li-ion batterij-elektroden bestudeerd die een veel grotere capaciteit hebben dan die van de materialen die in de huidige batterijen worden gebruikt. De onderzoekers wilden achterhalen waarom deze materialen vaak meer lading kunnen opslaan dan de theorie voorspelt.

De auteurs kozen rutheniumoxide (RuO2) als modelsysteem om deze zogenaamde "conversiematerialen, " genoemd omdat ze grote structurele veranderingen ondergaan wanneer ze reageren met lithiumionen, omkeerbaar metalen nanodeeltjes en zouten vormen (hier Ru en Li2O). Deze reacties zijn heel anders dan die bij conventionele elektroden, die lading opslaan door Li-ionen in ruimten binnen het kristalrooster te laten nestelen.

"Ons onderzoek identificeerde de bron van de extra capaciteit die werd gevonden voor RuO2, en heeft ook een protocol opgeleverd voor het bestuderen van de 'passivatielaag' die zich vormt op batterij-elektroden, die de elektrolyt beschermt tegen verdere ontledingsreacties in daaropvolgende laad-ontlaadcycli, " zei de corresponderende onderzoeker van de studie, Clara Grijs, een professor in de scheikundeafdelingen van de universiteiten van Cambridge en Stony Brook. "Het begrijpen van de structuren van deze passiveringslagen is de sleutel tot het maken van batterijen die lang genoeg meegaan voor gebruik in toepassingen zoals transport en opslag van elektriciteitsnetten."

Bij de National Synchrotron Light Source van Brookhaven National Laboratory, het team bestudeerde hun monsters met behulp van röntgenabsorptie nabije randstructuur (XANES) en uitgebreide röntgenabsorptie fijne structuur (EXAFS). Bij de Advanced Photon Source in het Argonne National Laboratory, ze gebruikten twee aanvullende technieken, hoge resolutie röntgendiffractie (XRD) en verstrooiingspaarverdelingsfunctie (PDF) analyse, om informatie over de elektronische en structurele veranderingen op lange/korte afstand van de RuO2-elektrode in realtime te extraheren terwijl de batterij werd ontladen en opgeladen. Met behulp van deze methoden, het team toonde aan dat RuO2 werd gereduceerd tot Ru-nanodeeltjes en Li2O via de vorming van tussenfasen, LixRuO2.

Aangezien dit niet de bron van het mechanisme voor het opslaan van extra kosten verklaarde, de groep gebruikte een andere techniek, hoge resolutie solid-state nucleaire magnetische resonantie (NMR). Deze methode omvat het onderwerpen van een monster aan een magnetisch veld en het meten van de respons van de kernen in het monster. Het kan specifieke informatie opleveren over de chemische samenstellingen en lokale structuren, en is vooral nuttig voor het bestuderen van verbindingen die alleen "lichte" elementen bevatten, zoals waterstof (H), Li, en zuurstof (O), die moeilijk te detecteren zijn met XRD. De NMR-gegevens toonden aan dat de belangrijkste bijdrage aan de capaciteit de vorming van LiOH, die omkeerbaar wordt omgezet in Li2O en LiH. Kleine bijdragen aan de capaciteit komen van Li-opslag op de Ru-nanodeeltjesoppervlakken, het vormen van een LixRu-legering, en de ontleding van het elektrolyt. Het laatste, echter, zorgt er uiteindelijk voor dat de capaciteit afneemt en zal resulteren in de dood van de batterij na meerdere oplaadcycli.