Betere batterijen die snel opladen en lang meegaan, zijn een gouden ring voor ingenieurs. Maar ondanks decennia van onderzoek en innovatie, een fundamenteel begrip van hoe batterijen precies werken op de kleinste schaal is ongrijpbaar gebleven.

In een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , een team onder leiding van William Chueh, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan Stanford en een faculteitswetenschapper bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, heeft een manier bedacht om als nooit tevoren te kijken naar de elektrochemische reactie die de brandstof vormt voor de meest voorkomende oplaadbare cel die tegenwoordig wordt gebruikt:de lithium-ionbatterij.

Door de fundamentele bouwstenen van batterijen te visualiseren - kleine deeltjes die doorgaans minder dan 1/100e van een mensenhaar groot zijn - hebben de teamleden een proces verlicht dat veel complexer is dan ooit werd gedacht. Zowel de methode die ze hebben ontwikkeld om de batterij in realtime te observeren als hun verbeterde begrip van de elektrochemie kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor het ontwerp van de batterij, bestuur en daarbuiten.

"Het geeft ons fundamentele inzichten in hoe batterijen werken, " zei Jongwoo Lim, een co-hoofdauteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker aan het Stanford Institute for Materials &Energy Sciences bij SLAC. "Eerder, de meeste studies onderzochten het gemiddelde gedrag van de hele batterij. Nutsvoorzieningen, we kunnen zien en begrijpen hoe individuele batterijdeeltjes worden opgeladen en ontladen."

Het hart van een batterij

De kern van elke lithium-ionbatterij is een eenvoudige chemische reactie waarbij positief geladen lithiumionen zich nestelen in de roosterachtige structuur van een kristalelektrode terwijl de batterij ontlaadt, het ontvangen van negatief geladen elektronen in het proces. Bij het omkeren van de reactie door elektronen te verwijderen, de ionen worden vrijgemaakt en de batterij wordt opgeladen.

Deze basisprocessen - bekend als lithiëring (ontlading) en delithiëring (lading) - worden belemmerd door een elektrochemische achilleshiel. Zelden steken de ionen gelijkmatig over het oppervlak van de deeltjes. In plaats daarvan, bepaalde gebieden nemen meer ionen op, en anderen minder. Deze inconsistenties leiden uiteindelijk tot mechanische spanning, omdat delen van het kristalrooster overbelast raken met ionen en kleine breuken ontwikkelen, de batterijprestaties ondermijnen en de levensduur van de batterij verkorten.

"Lithiatie en delithiatie moeten homogeen en uniform zijn, " zei Yiyang Li, een promovendus in het laboratorium van Chueh en co-hoofdauteur van het artikel. "In werkelijkheid, echter, ze zijn erg ongelijk. In ons beter begrip van het proces, dit document legt een weg uit naar het onderdrukken van het fenomeen."

Voor onderzoekers die batterijen willen verbeteren, zoals Chueh en zijn team, het tegengaan van deze schadelijke krachten kan ertoe leiden dat batterijen sneller en vollediger worden opgeladen, gaan veel langer mee dan de huidige modellen.

Deze studie visualiseert de laad-/ontlaadreactie in realtime - iets wat wetenschappers operando noemen - op fijn detail en schaal. Het team gebruikte briljante röntgenstralen en geavanceerde microscopen bij de geavanceerde lichtbron van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Het fenomeen onthuld door deze techniek, Ik dacht dat het nooit in mijn leven zou worden gevisualiseerd. Het is nogal baanbrekend op het gebied van batterijen, " zei Martin Bazant, een professor in chemische technologie en wiskunde aan het MIT die het theoretische aspect van de studie leidde.

Chueh en zijn team maakten een transparante batterij met dezelfde actieve materialen als in smartphones en elektrische voertuigen. Het is ontworpen en vervaardigd in samenwerking met Hummingbird Scientific. Het bestaat uit twee zeer dunne, transparante siliciumnitride "vensters". De batterij elektrode, gemaakt van een enkele laag lithium-ijzerfosfaat-nanodeeltjes, zit op het membraan in de opening tussen de twee vensters. Een zoute vloeistof, bekend als een elektrolyt, stroomt in de opening om de lithiumionen aan de nanodeeltjes te leveren.

"Dit was een heel zeer kleine batterij, houdt tien miljard keer minder lading vast dan een smartphonebatterij, "Zei Chueh. "Maar het geeft ons een duidelijk beeld van wat er op nanoschaal gebeurt."

Aanzienlijke vooruitgang

In hun studie hebben de onderzoekers ontdekten dat het laadproces (delithiation) beduidend minder uniform is dan het ontladen (lithiation). Intrigerend, de onderzoekers ontdekten ook dat sneller opladen de uniformiteit verbetert, wat zou kunnen leiden tot nieuwe en betere batterijontwerpen en strategieën voor energiebeheer.

"De verbeterde uniformiteit verlaagt de schadelijke mechanische spanning op de elektroden en verbetert de cyclusbaarheid van de batterij, "Zei Chueh. "Behalve batterijen, dit werk zou verregaande gevolgen kunnen hebben voor veel andere elektrochemische materialen." Hij wees op katalysatoren, geheugen apparaten, en zogenaamd slim glas, die overgaat van doorschijnend naar transparant wanneer elektrisch geladen.

Naast de opgedane wetenschappelijke kennis, de andere belangrijke vooruitgang van de studie is de röntgenmicroscopietechniek zelf, die is ontwikkeld in samenwerking met Berkeley Lab Advanced Light Source-wetenschappers Young-sang Yu, David Shapiro, en Tolek Tyliszczak. de microscoop, die is ondergebracht bij de Advanced Light Source, zou het energieonderzoek over de hele linie kunnen beïnvloeden door nooit eerder vertoonde dynamiek op nanoschaal te onthullen.

"Wat we hier hebben geleerd, is niet alleen hoe we een betere batterij kunnen maken, maar biedt ons een diepgaand nieuw venster op de wetenschap van elektrochemische reacties op nanoschaal, ' zei Bazan.