Een onverwachte eigenschap van antimoonkristallen op nanometerschaal - de spontane vorming van holle structuren - zou kunnen helpen de volgende generatie lithium-ionbatterijen een hogere energiedichtheid te geven zonder de levensduur van de batterij te verkorten. Door de omkeerbaar uithollende structuren kunnen lithium-ionbatterijen meer energie vasthouden en daardoor meer vermogen leveren tussen oplaadbeurten.

De stroom van lithiumionen in en uit gelegeerde batterijanoden is lange tijd een beperkende factor geweest in de hoeveelheid energie die batterijen kunnen bevatten bij gebruik van conventionele materialen. Te veel ionenstroom zorgt ervoor dat anodematerialen opzwellen en vervolgens krimpen tijdens laad-ontlaadcycli, mechanische degradatie veroorzaken die de levensduur van de batterij verkort. Om dat probleem aan te pakken, onderzoekers hebben eerder holle "dooier-shell" nanodeeltjes ontwikkeld die de volumeverandering accommoderen die wordt veroorzaakt door ionenstroom, maar het fabriceren ervan was complex en kostbaar.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam heeft ontdekt dat deeltjes die duizend keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar spontaan holle structuren vormen tijdens de laad-ontlaadcyclus zonder van grootte te veranderen, waardoor meer ionenstroom mogelijk is zonder de anodes te beschadigen. Het onderzoek werd op 1 juni gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Het opzettelijk construeren van holle nanomaterialen wordt al een tijdje gedaan, en het is een veelbelovende aanpak voor het verbeteren van de levensduur en stabiliteit van batterijen met een hoge energiedichtheid, " zei Matthew McDowell, assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering en de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Het probleem was dat het direct synthetiseren van deze holle nanostructuren op de grote schaal die nodig is voor commerciële toepassingen een uitdaging en duur is. Onze ontdekking zou een eenvoudiger, gestroomlijnd proces dat zou kunnen leiden tot verbeterde prestaties op een manier die vergelijkbaar is met de opzettelijk ontworpen holle structuren."

De onderzoekers deden hun ontdekking met behulp van een elektronenmicroscoop met hoge resolutie waarmee ze batterijreacties direct konden visualiseren zoals ze zich voordoen op nanoschaal. "Dit is een lastig soort experiment, maar als je geduldig bent en de experimenten goed doet, je kunt echt belangrijke dingen leren over hoe de materialen zich in batterijen gedragen, ' zei McDowell.

Het team, waaronder onderzoekers van ETH Zürich en Oak Ridge National Laboratory, gebruikte ook modellering om een ​​theoretisch raamwerk te creëren om te begrijpen waarom de nanodeeltjes spontaan uithollen - in plaats van krimpen - tijdens het verwijderen van lithium uit de batterij.

Het vermogen om holle deeltjes te vormen en omkeerbaar te vullen tijdens batterijcycli komt alleen voor in met oxide beklede antimoonnanokristallen met een diameter van minder dan ongeveer 30 nanometer. Het onderzoeksteam ontdekte dat het gedrag voortkomt uit een veerkrachtige natuurlijke oxidelaag die initiële expansie mogelijk maakt tijdens lithiëring - stroom van ionen in de anode - maar mechanisch krimp voorkomt omdat antimoon holtes vormt tijdens het verwijderen van ionen. een proces dat bekend staat als delithiatie.

De bevinding was een beetje een verrassing omdat eerder werk aan verwante materialen was uitgevoerd op grotere deeltjes, die uitzetten en krimpen in plaats van holle structuren te vormen. "Toen we voor het eerst het kenmerkende uithollingsgedrag observeerden, het was erg spannend en we wisten meteen dat dit belangrijke gevolgen zou kunnen hebben voor de batterijprestaties, ' zei McDowell.

Antimoon is relatief duur en wordt momenteel niet gebruikt in commerciële batterijelektroden. Maar McDowell gelooft dat de spontane uitholling ook kan optreden in minder dure verwante materialen zoals tin. De volgende stappen zijn het testen van andere materialen en het in kaart brengen van een pad naar commerciële schaalvergroting.

"Het zou interessant zijn om andere materialen te testen om te zien of ze transformeren volgens een soortgelijk uithollingsmechanisme, " zei hij. "Dit zou het scala aan materialen dat beschikbaar is voor gebruik in batterijen kunnen uitbreiden. De kleine testbatterijen die we maakten, vertoonden veelbelovende laad-ontlaadprestaties, dus we willen de materialen in grotere batterijen evalueren."

Hoewel ze misschien duur zijn, de zelfhollende antimoon-nanokristallen hebben nog een andere interessante eigenschap:ze kunnen ook worden gebruikt in natrium-ion- en kalium-ionbatterijen, opkomende systemen waarvoor veel meer onderzoek moet worden gedaan.

"Dit werk bevordert ons begrip van hoe dit soort materiaal evolueert in batterijen, " McDowell zei. "Deze informatie zal van cruciaal belang zijn voor de implementatie van het materiaal of verwante materialen in de volgende generatie lithium-ionbatterijen, die meer energie kan opslaan en net zo duurzaam zal zijn als de batterijen die we nu hebben."