Het bouwen van een betere batterij is een delicate evenwichtsoefening. Het verhogen van de hoeveelheden chemicaliën waarvan de reacties de batterij voeden, kan leiden tot instabiliteit. evenzo, kleinere deeltjes kunnen de reactiviteit verbeteren, maar meer materiaal blootstellen aan degradatie. Nu heeft een team van wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, en SLAC National Accelerator Laboratory zeggen dat ze een manier hebben gevonden om een ​​evenwicht te vinden - door een batterijkathode te maken met een hiërarchische structuur waarin het reactieve materiaal overvloedig en toch beschermd is.

Testbatterijen die dit kathodemateriaal bevatten, vertoonden een verbeterd hoogspanningscyclusgedrag - het soort dat u zou willen voor het snel opladen van elektrische voertuigen en andere toepassingen die opslag met hoge capaciteit vereisen. De wetenschappers beschrijven de micro-tot-nanoschaal details van het kathodemateriaal in een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Energie 11 januari 2016.

"Onze collega's van Berkeley Lab waren in staat om een ​​deeltjesstructuur te maken met twee niveaus van complexiteit, waarbij het materiaal zodanig is geassembleerd dat het zichzelf beschermt tegen degradatie, " verklaarde Brookhaven Lab-natuurkundige en Stony Brook University-adjunct-assistent-professor Huolin Xin, die hielpen bij het karakteriseren van de nanoschaaldetails van het kathodemateriaal in het Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN).

Röntgenbeeldvorming uitgevoerd door wetenschappers van de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) bij SLAC, samen met Xin's elektronenmicroscopie bij CFN, onthulden bolvormige deeltjes van het kathodemateriaal van een miljoenste meter, of micron, in diameter opgebouwd uit veel kleinere, gefacetteerde nanoschaaldeeltjes op elkaar gestapeld als bakstenen in een muur. De karakteriseringstechnieken onthulden belangrijke structurele en chemische details die verklaren waarom deze deeltjes zo goed presteren.

De lithium-ion-shuttle

Chemie vormt de kern van alle oplaadbare lithium-ionbatterijen, die draagbare elektronica en elektrische auto's van stroom voorzien door lithiumionen te pendelen tussen positieve en negatieve elektroden badend in een elektrolytoplossing. Als lithium in de kathode komt, chemische reacties genereren elektronen die voor gebruik naar een extern circuit kunnen worden geleid. Opladen vereist een externe stroom om de reacties in omgekeerde richting uit te voeren, de lithiumionen uit de kathode trekken en naar de anode sturen.

Reactieve metalen zoals nikkel hebben het potentieel om geweldige kathodematerialen te maken, behalve dat ze onstabiel zijn en de neiging hebben om destructieve nevenreacties met de elektrolyt te ondergaan. Dus de Brookhaven, Berkeley, en het SLAC-batterijteam hebben geëxperimenteerd met manieren om nikkel op te nemen, maar het te beschermen tegen deze destructieve nevenreacties.

Ze sproeiden een oplossing van lithium, nikkel, mangaan, en kobalt gemengd in een bepaalde verhouding door een verstuivermondstuk om kleine druppeltjes te vormen, die vervolgens ontleedde om een ​​poeder te vormen. Het herhaaldelijk verhitten en afkoelen van het poeder veroorzaakte de vorming van minuscule nanodeeltjes en de zelfassemblage van deze deeltjes tot de grotere bolvormige, soms hol, structuren.

Met behulp van röntgenfoto's bij SLAC's SSRL, de wetenschappers maakten chemische "vingerafdrukken" van de structuren op micronschaal. De synchrotron-techniek, röntgenspectroscopie genoemd, onthulde dat het buitenoppervlak van de bollen relatief weinig nikkel en veel niet-reactief mangaan bevatte, terwijl het interieur rijk aan nikkel was.

"De mangaanlaag vormt een effectieve barrière, als verf op een muur, de binnenstructuur van de nikkelrijke 'stenen' beschermen tegen de elektrolyt, ' zei Xin.

Maar hoe konden de lithiumionen nog steeds het materiaal binnendringen om met het nikkel te reageren? Er achter komen, Xin's groep bij het CFN vermaalde de grotere deeltjes om een ​​poeder te vormen dat bestaat uit veel kleinere klonten van de primaire deeltjes op nanoschaal met enkele van de interfaces ertussen nog intact.

"Deze monsters tonen een kleine subset van de stenen die de muur vormen. We wilden zien hoe de stenen in elkaar zitten. Wat voor soort cement of mortel bindt ze? Zijn ze regelmatig gelaagd of zijn ze willekeurig georiënteerd met tussenruimtes? " zei Xin.

Details op nanoschaal verklaren verbeterde prestaties

Met behulp van een aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop - een scanning transmissie-elektronenmicroscoop uitgerust met een "bril" om het zicht te verbeteren - zagen de wetenschappers dat de deeltjes facetten hadden, platte vlakken of zijkanten zoals de geslepen randen van een kristal, waardoor ze stevig samen konden komen om coherente interfaces te vormen zonder mortel of cement tussen de stenen. Maar er was een kleine misfit tussen de twee oppervlakken, waarbij de atomen aan de ene kant van het grensvlak altijd zo licht verschoven zijn ten opzichte van de atomen op het aangrenzende deeltje.

"De pakking van atomen op de grensvlakken tussen de kleine deeltjes is iets minder dicht dan het perfecte rooster in elk afzonderlijk deeltje, dus deze interfaces vormen in feite een snelweg voor lithiumionen om in en uit te gaan, ' zei Xin.

Als kleine slimme auto's, de lithiumionen kunnen langs deze snelwegen bewegen om de binnenstructuur van de muur te bereiken en te reageren met het nikkel, maar veel grotere elektrolytmoleculen ter grootte van een vrachtwagen kunnen er niet in om het reactieve materiaal af te breken.

Met behulp van een spectroscopie-instrument binnen hun microscoop, de CFN-wetenschappers produceerden chemische vingerafdrukken op nanoschaal die aantoonden dat er enige segregatie van nikkel en mangaan was, zelfs op nanoschaal, net zoals er was in de structuren op micronschaal.

"We weten nog niet of dit functioneel significant is, maar we denken dat het nuttig kan zijn en we willen dit verder bestuderen, " zei Xin. Bijvoorbeeld, hij zei, misschien kan het materiaal op nanoschaal worden gemaakt om een ​​mangaanskelet te hebben om het reactievere te stabiliseren, minder stabiele nikkelrijke zakken.

"Die combinatie kan je een langere levensduur van de batterij geven, samen met de hogere oplaadcapaciteit van het nikkel, " hij zei.