En ny metod utvecklad för att studera batterifel pekar på det potentiella nästa steget i att förlänga litiumjonbatteriets livslängd och kapacitet, öppna en väg för en bredare användning av dessa batterier i samband med förnybara energikällor

Litiumjonbatterier driver mobila enheter och elbilar och hjälper till att lagra energi från förnybara, ändå intermittenta energikällor som vind och sol. Men många cykler av laddning och urladdning leder till batteriavbrott och kapacitetsförlust, begränsar deras livslängd.

En ny röntgenteknik som används vid U.S. Department of Energy's Advanced Photon Source har avslöjat överraskande dynamik i nanomekaniken för batterier och föreslår ett sätt att mildra batterifel genom att minimera genereringen av elastisk energi.

Litiumjoner spänner materialet när de pendlar mellan elektroderna och kan till och med ändra dess struktur, vilket leder till defekter. Utformningar för mer fjädrande elektroder kommer att förlita sig på grundläggande förståelse för samspelet mellan litiumjoner och elektroder inom batteriets struktur. Men hittills har forskare inte kunnat karakterisera enstaka nanopartiklars beteende i batterier under verkliga driftsförhållanden.

Med hjälp av koherent röntgendiffraktiv avbildning, ett team av forskare för APS, University of California-San Diego, SLAC National Accelerator Laboratory och Center for Free-Electron Laser Science kartlade den tredimensionella belastningen i individuella nanopartiklar inom elektroderna på fungerande myntcellsbatterier, som de som finns i klockor. I en tidning som nyligen publicerades i Nanobokstäver , teamet rapporterade bevis för att historien om laddningscykler förändrar töjningsmönstren i enstaka partiklar av elektrodmaterialet.

Detta nya tillvägagångssätt kommer att hjälpa till att avslöja grundläggande processer som ligger bakom överföringen av elektrisk laddning, insikt som kan hjälpa till att styra utformningen av ekonomiska batterier med längre livslängd.

Denna upptäckt möjliggjordes endast av möjligheten att använda utöka användningen av CDI för att studera batterier som cyklar under lästa driftförhållanden.

APS är en av få platser där denna forskning kan göras.

"Bragg Coherent Diffraction Imaging (Bragg-CDI) är en teknik som bara använder den koherenta delen av strålen. Dessutom, det kan plocka ut enstaka nanokristaller baserat på deras kristallstruktur, och kartlägga utvecklingen av påfrestningar inuti nanostrukturen när hela batteriet cyklas." sa Ross Harder, en författare på tidningarna och röntgenfysiker vid APS. "Den höga briljansen hos APS vid höga fotonenergier är ett nödvändigt krav för att bedriva den här typen av forskning på individuella nanopartiklar inuti deras intakta matris. APS-uppgraderingen med kommer att tillåta oss att titta på nanoskalasystem av denna komplexa karaktär med storleksordningar ökad hastighet , känslighet och upplösning, sa Jörg Maser, medförfattare på tidningarna och röntgenfysiker vid APS.

Detta arbete finansierades av DOE Office of Science och ett UC San Diego Chancellors Interdisciplinary Collaborators Award. APS är en DOE Office of Science User Facility vid Argonne National Laboratory.

Hyung-Man Cho och Jong Woo Kim, doktorander i materialvetenskap och teknik vid UC-Davis, Jörg Maser och Ross Harder från Argonne National Laboratory och Jesse Clark från SLAC National Accelerator Laboratory bidrog till detta arbete, som regisserades av UC-Davis Shirley Meng, professor i nanoteknik och Oleg Shpyrko professor i fysik.