Sommige onvolkomenheden betalen grote dividenden.

Een door Cornell geleide samenwerking maakte gebruik van röntgen-nanobeeldvorming om een ​​ongekend inzicht te krijgen in vastestofelektrolyten, het onthullen van voorheen onopgemerkte kristaldefecten en dislocaties die nu kunnen worden gebruikt om superieure materialen voor energieopslag te creëren.

Het blad van de groep, "X-ray Nano-beeldvorming van kristaldefecten in enkele korrels van solid-state elektrolyt Li ₇ -3 _x Al _x La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , " gepubliceerd op 29 april in Nano-letters , een publicatie van de American Chemical Society. De hoofdauteur van het artikel is promovendus Yifei Sun.

Een halve eeuw lang, materiaalwetenschappers hebben de effecten van kleine defecten in metalen onderzocht. De evolutie van beeldvormingstools heeft nu mogelijkheden gecreëerd om soortgelijke fenomenen in andere materialen te onderzoeken, met name die welke worden gebruikt voor energieopslag.

Een groep onder leiding van Andrej Singer, assistent-professor en David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow bij de afdeling Materials Science and Engineering, gebruikt synchrotronstraling om atomaire defecten in batterijmaterialen aan het licht te brengen die conventionele benaderingen zijn, zoals elektronenmicroscopie, niet hebben kunnen vinden.

De Singer Group is vooral geïnteresseerd in elektrolyten in vaste toestand omdat ze mogelijk kunnen worden gebruikt om de vloeibare en polymere elektrolyten in lithium-ionbatterijen te vervangen. Een van de belangrijkste nadelen van vloeibare elektrolyten is dat ze vatbaar zijn voor de vorming van stekelige dendrieten tussen de anode en de kathode, die de batterij kortsluiten of, nog erger, ervoor zorgen dat het explodeert.

Vastestofelektrolyten hebben de verdienste dat ze niet ontvlambaar zijn, maar ze bieden hun eigen uitdagingen. Ze geleiden lithiumionen niet zo sterk of snel als vloeistoffen, en het onderhouden van contact tussen de anode en kathode kan moeilijk zijn. Solid-state elektrolyten moeten ook extreem dun zijn; anders, de batterij zou te omvangrijk zijn en elke winst in capaciteit zou teniet worden gedaan.

Het enige dat solid-state elektrolyten levensvatbaar zou kunnen maken? kleine gebreken, zei zangeres.

"Deze defecten kunnen ionische diffusie vergemakkelijken, zodat ze de ionen misschien sneller laten gaan. Dat is iets waarvan bekend is dat het gebeurt in metalen, "zei hij. "Ook zoals in metalen, het hebben van defecten is beter in termen van het voorkomen van breuk. Dus ze kunnen het materiaal minder vatbaar maken voor breuk."

Singer's groep werkte samen met Nikolaos Bouklas, assistent-professor aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering en co-auteur van het artikel, die hen hielp begrijpen hoe defecten en dislocaties de mechanische eigenschappen van elektrolyten in vaste toestand kunnen beïnvloeden.

Het Cornell-team werkte vervolgens samen met onderzoekers van Virginia Tech, geleid door Feng Lin, de co-senior auteur van het artikel - die het monster heeft gesynthetiseerd:een granaatkristalstructuur, lithiumlanthaan-zirkoniumoxide (LLZO), met verschillende concentraties aluminium toegevoegd in een proces dat doping wordt genoemd.

Met behulp van de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, gebruikten ze een techniek genaamd Bragg Coherent Diffractive Imaging waarbij een zuivere, zuilvormige röntgenstraal wordt gefocust - net als een laserpointer - op een enkele micron-korrel LLZO. Elektrolyten bestaan ​​uit miljoenen van deze korrels. De straal creëerde een 3D-beeld dat uiteindelijk de morfologie en atomaire verplaatsingen van het materiaal onthulde.

"Deze elektrolyten werden verondersteld perfecte kristallen te zijn, " zei Sun. "Maar wat we vinden zijn defecten zoals dislocaties en korrelgrenzen die niet eerder zijn gemeld. Zonder onze 3D-beeldvorming, die zeer gevoelig is voor defecten, het zou waarschijnlijk onmogelijk zijn om die dislocaties te zien omdat de dislocatiedichtheid zo laag is."

De onderzoekers zijn nu van plan een onderzoek uit te voeren dat meet hoe de defecten de prestaties van vastestofelektrolyten in een echte batterij beïnvloeden.

"Nu we precies weten waarnaar we op zoek zijn, we willen deze defecten vinden en ernaar kijken terwijl we de batterij bedienen, Singer zei. "We zijn er nog ver van verwijderd, maar we staan ​​misschien aan het begin van een nieuwe ontwikkeling waarbij we deze defecten expres kunnen ontwerpen om betere materialen voor energieopslag te maken."