Voor het eerst hebben wetenschappers rechtstreeks waargenomen hoe lithiumionen door een moleculair doolhof navigeren om een ​​elektrode in een batterij te bereiken. De bevindingen, gerapporteerd in het tijdschrift Nature, kunnen onderzoekers helpen efficiëntere batterijen met een langere levensduur te ontwerpen.

Lithium-ionbatterijen worden gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische apparaten, van laptops tot mobiele telefoons. Ze werken door lithiumionen tussen een positieve elektrode (anode) en een negatieve elektrode (kathode) te pendelen. Wanneer de batterij wordt opgeladen, verplaatsen lithiumionen zich van de kathode naar de anode. Wanneer de batterij ontlaadt, verplaatsen lithiumionen zich van de anode naar de kathode.

De efficiëntie van een lithium-ionbatterij hangt af van hoe snel lithiumionen tussen de elektroden kunnen bewegen. Dit wordt bepaald door de grootte en vorm van de poriën in het elektrodemateriaal. Als de poriën te klein zijn, kunnen lithiumionen er moeilijk doorheen bewegen. Als de poriën te groot zijn, kunnen lithiumionen te gemakkelijk bewegen en verliest de batterij kracht.

De onderzoekers gebruikten een scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM) om lithiumionen in beeld te brengen terwijl ze door een moleculair doolhof in het materiaal van een batterijelektrode bewogen. Dankzij de STEM konden de onderzoekers de lithiumionen op atomair niveau zien.

De onderzoekers ontdekten dat lithiumionen zich door het doolhof bewogen door van het ene molecuul naar het andere te springen. Het hopproces werd vergemakkelijkt door de aanwezigheid van defecten in het elektrodemateriaal. Deze defecten creëerden paden waardoor lithiumionen gemakkelijker konden bewegen.

De bevindingen kunnen onderzoekers helpen bij het ontwerpen van nieuwe elektrodematerialen waarmee lithiumionen sneller en gemakkelijker kunnen bewegen. Dit zou kunnen leiden tot efficiëntere en duurzamere batterijen.