Wanneer u een batterij oplaadt, of wanneer je het gebruikt, het is niet alleen elektriciteit, maar ook materie die zich binnenin beweegt. ionen, die atomen of moleculen zijn met een elektrische lading, reizen van een van de elektroden van de batterij naar de andere, waardoor de elektroden krimpen en zwellen. In feite, het is al lang een mysterie waarom tamelijk brosse elektrodematerialen niet barsten onder de spanning van deze uitzettings- en samentrekkingscycli.

Het antwoord is misschien eindelijk gevonden. Een team van onderzoekers van MIT, de Universiteit van Zuid-Denemarken, Rijst Universiteit, en Argonne National Laboratory heeft vastgesteld dat het geheim in de moleculaire structuur van de elektroden zit. Terwijl de elektrodematerialen normaal kristallijn zijn, met al hun atomen netjes gerangschikt in een regelmatige, repetitieve reeks, wanneer ze het laad- of ontlaadproces ondergaan, ze worden getransformeerd in een wanordelijke, glasachtige fase die de spanning van de dimensionale veranderingen kan opvangen.

De nieuwe bevindingen, die van invloed kunnen zijn op het toekomstige batterijontwerp en zelfs kunnen leiden tot nieuwe soorten actuatoren, worden gerapporteerd in het journaal Nano-letters , in een paper van MIT-hoogleraar materiaalwetenschap en techniek Yet-Ming Chiang, afgestudeerde studenten Kai Xiang en Wenting Xing, en acht anderen.

In theorie, als je een lithium-ionbatterij over een steunpunt zou uitstrekken, met aan elke kant een elektrode, Chiang zegt, "het zou op en neer gaan als een wip" terwijl het werd opgeladen en ontladen. De verandering in massa als ionen heen en weer pendelen gaat ook gepaard met een uitzetting of samentrekking die kan variëren, afhankelijk van het materiaal, "vanaf 1 procent of zo, helemaal tot aan silicium, die met 300 procent kan groeien, " hij zegt.

Dit onderzoek ging over een ander soort batterij, een natrium-ionbatterij genoemd. De wetenschappers keken naar een bepaalde klasse materialen die worden gezien als potentiële batterijkathoden (positieve elektroden), fosfo-olivijnen genoemd, en specifiek bij natrium-ijzerfosfaat (NaFePO ₄ ). Ze ontdekten dat het mogelijk is om de volumeveranderingen over een zeer breed bereik te verfijnen - niet alleen veranderen hoeveel het materiaal uitzet en krimpt, maar ook de dynamiek van hoe het dat doet. Voor sommige composities de uitbreiding is erg langzaam en geleidelijk, maar voor anderen kan het plotseling toenemen.

"Binnen deze familie van olivijnen, "Chang zegt, "we kunnen dit langzaam hebben, stapsgewijs veranderen, " over het hele bereik van bijna nul lading tot zeer hoog vermogen. Als alternatief, de verandering kan "iets heel ingrijpends zijn, " zoals het geval is met NaFePO ₄ , die zijn volume snel met ongeveer 17 procent verandert.

"We weten dat brosse verbindingen zoals deze normaal zouden breken met minder dan 1 procent volumeverandering, " Zegt Chiang. "Dus hoe kan dit materiaal zulke grote volumeveranderingen opvangen? Wat we vonden, in zekere zin, is dat het kristal het opgeeft en een ongeordend glas vormt" in plaats van zijn precies geordende rooster te behouden.

"Dit is een mechanisme waarvan we denken dat het breder zou kunnen worden toegepast op andere verbindingen van dit soort, " hij zegt, eraan toevoegend dat de bevinding "een nieuwe manier kan zijn om glasachtige materialen te maken die nuttig kunnen zijn voor batterijen." Zodra de verandering naar een glasachtige compositie plaatsvindt, de volumeveranderingen worden geleidelijk in plaats van plotseling, en als gevolg daarvan "kan het een langere levensduur hebben, "zegt Chiang.

De bevindingen kunnen een nieuw ontwerphulpmiddel bieden voor diegenen die proberen een langer levend, batterijen met een hogere capaciteit, hij zegt. Het zou ook kunnen leiden tot mogelijke toepassingen waarin de volumeveranderingen kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld als robotactuatoren of als pompen om medicijnen af ​​te geven vanuit implanteerbare apparaten.

Het team is van plan te blijven werken aan eenvoudigere manieren om deze olivijnverbindingen te synthetiseren, en bepalen of er een bredere familie van kristallijne materialen is die deze faseveranderende eigenschap deelt.

Dit onderzoek levert "een baanbrekende bijdrage die de elektrochemische, mechanisch, en kristallografische aspecten van batterijelektroden, " zegt William Chueh, een assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek aan de Stanford University, die niet bij dit werk betrokken was.

"Elektrodematerialen die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, krimpen en zetten uit tijdens opladen en ontladen, en vaak onevenredig binnen een enkel deeltje. Als de spanning niet kan worden opgevangen, de deeltjesbreuken, waardoor de batterij uiteindelijk defect raakt. Dit is vergelijkbaar met een koude keramische kop die barst wanneer er te snel kokend water in wordt gegoten, " zegt Chueh. Dit werk "identificeert een nieuw trekontlastingsmechanisme wanneer de volumeverandering groot is, waarbij het materiaal verandert van een kristallijne vaste stof in een amorfe in plaats van te breken."

Deze ontdekking, hij zegt, "kan ertoe leiden dat wetenschappers batterijmaterialen opnieuw bekijken die voorheen onbruikbaar werden geacht vanwege de grote volumeverandering tijdens het opladen en ontladen. Het zou ook leiden tot betere voorspellende modellen die door ingenieurs worden gebruikt om batterijen van de nieuwe generatie te ontwerpen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.