Wetenschap
Een illustratie van elektrolytmoleculen die zichzelf in lagen rangschikken binnen enkele nanometers van een batterij-elektrode. Lithium-ionen (paarse balletjes) moeten tijdens het opladen en ontladen van de batterij door deze lagen navigeren op hun weg in en uit een elektrode. Krediet:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
De lithium-ionbatterijen die laptops van stroom voorzien, elektrische auto's en zoveel andere moderne gadgets werken volgens een eenvoudig plan:lithium-ionen pendelen heen en weer tussen twee elektroden, zichzelf in een van de elektroden steken terwijl de batterij wordt opgeladen en naar de andere gaan als de batterij leeg raakt. De snelheid en het gemak waarmee ze door de vloeibare elektrolyt van de batterij reizen, bepalen mede hoe snel de batterij kan opladen.
Nu hebben wetenschappers voor het eerst nauwkeurig gekeken naar wat er gebeurt binnen een paar nanometer van de elektrode, waar de normaal vrij bewegende elektrolytmoleculen zichzelf organiseren in lagen die direct in de paden van de lithiumionen staan.
Ze hebben deze gelaagdheid voor het eerst direct waargenomen in röntgenexperimenten in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. De resultaten suggereren dat het veranderen van de concentratie van lithiumionen in de elektrolyt de rangschikking van de moleculaire lagen zou kunnen veranderen en het voor de ionen gemakkelijker zou maken om in en uit de elektrode te komen.
"Dat proces waarbij de ionen hun weg naar de elektrode vinden, is erg belangrijk voor hoe snel je de batterij kunt opladen en hoe lang de batterij meegaat, " zei Michael Toney, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en co-leider van de studie. "Het begrijpen van de details op nanoschaal van hoe dit werkt, zou manieren kunnen voorstellen om de laadsnelheid en efficiëntie te verhogen."
Het rapport is geaccepteerd voor publicatie in Energie en milieuwetenschappen , en een voorschot wordt op de website van het tijdschrift geplaatst.
Een commerciële elektrolyt onderzoeken
In lithium-ionbatterijen, de elektrolyt bestaat uit lithium en andere ionen in een oplosmiddel, waarbij de oplosmiddelmoleculen rondbewegen zoals ze zouden doen in elke andere vloeistof. Maar op basis van theorie en eerdere computersimulaties, wetenschappers hadden een sterk vermoeden dat er iets anders gebeurde in het kleine volume van de elektrolyt dat zich vlak naast de elektrode bevindt. Hier, ze dachten, de aanwezigheid van het harde oppervlak van de elektrode zou ertoe leiden dat de oplosmiddelmoleculen op één lijn komen te liggen en ordelijke lagen vormen. Echter, het bevestigen van dit door middel van experimenten bleek moeilijk.
Voor deze laatste experimenten, Toney's team gebruikte een metaaloxide materiaal om de elektrode weer te geven, badend in een elektrolyt dat typisch wordt aangetroffen in commerciële lithium-ionbatterijen.
Door een zeer heldere röntgenstraal van SSRL op het oppervlak van de elektrode te focussen en de röntgenstralen te analyseren die door de elektrolyt terugkaatsten, als licht dat weerkaatst door een spiegel, de onderzoekers waren in staat om de structuren en posities van individuele oplosmiddelmoleculen en lithiumionen te bepalen die zich binnen een paar miljardsten van een meter van het elektrodeoppervlak bevonden, zei Hans-Georg Steinrück, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Toney en co-leider van de experimenten. Moleculaire dynamische simulaties vulden de experimentele resultaten aan en kwamen overeen.
"We kunnen de posities van ionen en oplosmiddelmoleculen in de buurt van de elektrode zien met een resolutie van angstrom, en zie ook hoe ze georiënteerd zijn op het oppervlak van de elektrode, Steinrück zei. "Ze zijn gerangschikt in goed gedefinieerde lagen aan de grens, en de eerste laag ligt plat, evenwijdig aan het oppervlak van de elektrode; dan worden ze meer ongeordend, meer typisch voor een vloeistof, terwijl je van het oppervlak komt." Deze geordende lagen maken het moeilijker voor de lithiumionen om snel door de lagen en in de elektrode te bewegen.
Verschuivende rangen van moleculen
Echter, naarmate de concentratie van lithiumionen in de elektrolyt toenam, de rangschikking van de lagen veranderde; het werd wat overzichtelijker, en de lagen lagen verder uit elkaar, zei Steinruck. Dit leidde de onderzoekers tot een conclusie die bijna het tegenovergestelde lijkt van wat je zou verwachten.
"Onze hypothese is dat als je het lithiumionentransport wilt verbeteren, u de hoeveelheid volgorde in de lagen wilt verminderen, en dat betekent het verlagen van de lithiumionconcentratie in plaats van het te verhogen, " hij zei.
Steinrück zei dat het team deze onderzoekspiste verder zal verkennen, eraan toevoegend dat de fundamentele kennis die met deze techniek is verkregen, ook kan worden toegepast op studies van andere soorten batterijen van de volgende generatie en energieopslagsystemen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com