In een veelbelovende op lithium gebaseerde batterij, de vorming van een sterk geleidende zilvermatrix transformeert een materiaal dat anders wordt geplaagd door een lage geleidbaarheid. Om deze multimetaalbatterijen te optimaliseren en de stroom van elektriciteit te verbeteren, hadden wetenschappers een manier nodig om te zien waar, wanneer, en hoe deze zilver, nanoschaal "bruggen" ontstaan.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de Stony Brook University hebben röntgenstralen gebruikt om deze veranderende atomaire architectuur in kaart te brengen en hebben het verband met de ontladingssnelheid van de batterij onthuld. De studie - online gepubliceerd op 8 januari, 2015, in het journaal Wetenschap — laat zien dat een langzame ontlading in het begin van de levensduur van de batterij een meer uniform en uitgebreid geleidend netwerk creëert, nieuwe ontwerpbenaderingen en optimalisatietechnieken voorstellen.

"Gewapend met dit inzicht in de ontladingsprocessen van batterijkathoden, we kunnen ons richten op nieuwe materialen die zijn ontworpen om kritieke batterijproblemen aan te pakken die verband houden met stroom en efficiëntie, " zei studie co-auteur Esther Takeuchi, een SUNY Distinguished Professor aan de Stony Brook University en hoofdwetenschapper in het directoraat Basic Energy Sciences van Brookhaven Lab.

De wetenschappers gebruikten heldere röntgenstralen bij Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source (NSLS) - een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit - om lithiumbatterijen te onderzoeken met zilvervanadiumdifosfaat (Ag ₂ VP ₂ O ₈ ) elektroden. Dit veelbelovende kathodemateriaal, die nuttig kunnen zijn in implanteerbare medische hulpmiddelen, vertoont de hoge stabiliteit, hoog voltage, en spontane matrixvorming centraal in het onderzoek.

"Het experimentele werk - met name de in-situ röntgendiffractie in batterijen die volledig zijn ingekapseld in roestvrij staal - zou nuttig moeten zijn voor de industrie, omdat het prototype- en productiebatterijen kan binnendringen om hun structurele evolutie tijdens het gebruik te volgen, ' zei Takeuchi.

In de matrix

Terwijl deze batterijen voor eenmalig gebruik - gesynthetiseerd en geassembleerd door David Bock, afgestudeerde student van Stony Brook - ontladen, de lithiumionen die in de anode zijn opgeslagen, gaan naar de kathode, onderweg zilverionen verdringen. Het verplaatste zilver combineert vervolgens met vrije elektronen en ongebruikt kathodemateriaal om de geleidende zilvermetaalmatrix te vormen, fungeren als een kanaal voor de anders belemmerde elektronenstroom.

"Om de kathodeprocessen in de batterij te visualiseren en het zilveren netwerk vorm te zien krijgen, we hadden een zeer nauwkeurig systeem nodig met röntgenstralen met hoge intensiteit die door een stalen batterijbehuizing kunnen dringen, "Zei studie co-auteur en Stony Brook University Research Associate Professor Amy Marschilok. "Dus we wendden ons tot NSLS."

Energiedispersieve röntgendiffractie (EDXRD) bij NSLS leverde deze realtime - in situ - visualisatiegegevens. In EDXRD, intense bundels röntgenstralen gingen door het monster, energie verliezen omdat de batterijstructuur de balken verbogen. Elke set gedetecteerde stralingshoeken, zoals time-lapse-beelden, onthulde de verschuivende chemie als een functie van het ontladen van de batterij.

"Het zilver vormt zich in deeltjes die kleiner zijn dan 10 nanometer, en de diffractiepatronen kunnen zowel dicht als zwak zijn, " zei Brookhaven Lab-wetenschapper Zhong Zhong, die de kritische uitlijning voor de röntgenexperimenten bij NSLS heeft uitgevoerd.

Nadat de gegevens waren verzameld, Brookhaven Lab postdoctoraal onderzoeker en studie co-auteur Kevin Kirshenbaum leidde de inspanningen voor gegevensanalyse.

"Dit soort analyse en interpretatie vereist veel tijd en expertise, maar de resultaten kunnen verbluffend zijn, ' zei Kirshenbaum.

Verrassingen in zilver geschreven

In de meeste batterijen, de snelheid van lithium-ion diffusie bepaalt de snelheid van ontlading, een sleutelfactor in de algehele prestaties en efficiëntie. Het materiaal dat zich het dichtst bij de lithiumanode bevindt, zou normaal het eerst ontladen, omdat de ionen een kortere afstand moeten afleggen. In een verrassende ontdekking, de onderzoekers ontdekten dat het materiaal dat het verst van de anode en het dichtst bij het knoopceloppervlak ligt, het eerst in de batterij wordt ontladen.

"Dit komt omdat het niet-ontladen kathodemateriaal een zeer slechte elektrische geleider is, dus de weerstand voor lithiumiondiffusie is minder dan voor elektronenstroom, "Zei co-auteur en SUNY Distinguished Teaching Professor Kenneth Takeuchi. "Dit benadrukt een uniek efficiënt aspect van in situ zilvermatrixvorming:de zilvermatrix vormt zich voornamelijk waar nodig, wat efficiënter is dan het gebruik van geleidende additieven."

De in situ diffractiegegevens werden gecombineerd met twee technieken die na de operatie werden toegepast:röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) en hoek-opgeloste röntgendiffractie (XRD).

Spectroscopie kan exacte chemie onthullen omdat elk element licht op unieke wijze absorbeert en uitstraalt, maar de röntgenstralen die voor XAS worden gebruikt, kunnen niet door de batterijbehuizing dringen. Dus na elke stap in de ontlading, de onderzoekers verwijderden de kathode en vermalen het tot een poeder om de gemiddelde elementaire samenstelling te meten. Chia-Ying Lee van de Universiteit van Buffalo bereidde de gereduceerde kathodematerialen voor de eerste ex situ metingen.

"Deze technieken leveren aanvullende gegevens op:de in situ diffractie laat zien waar het zilver wordt gevormd in de kathode, terwijl de spectroscopie nauwkeuriger laat zien hoeveel zilver werd gevormd, ' zei Esther Takeuchi.

Helderdere lichten en betere batterijen

NSLS beëindigde zijn 32-jarige experimentele run in september 2014, maar zijn krachtige opvolger neemt al gegevens op in Brookhaven Lab. De National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) levert bundels 10, 000 keer helderder dan NSLS, en in-situ energieonderzoek is een belangrijk onderdeel van haar missie. NSLS-II, ook een DOE Office of Science User Facility, zullen binnenkort gebruikers uit de industrie verwelkomen, academische wereld, en andere nationale laboratoria.

"We werken momenteel aan andere materialen die geleidende netwerken vormen en hopen ze te bestuderen als functionerende cellen, "Zei Takeuchi. "De helderdere stralen en grotere ruimtelijke resolutie van NSLS-II zullen een geweldig hulpmiddel zijn bij het bestuderen van andere kathoden en het naar voren brengen van deze technologie."