Om du tillsätter mer litium till den positiva elektroden på ett litiumjonbatteri - fyll över det, på ett sätt - den kan lagra mycket mer laddning på samma mängd utrymme, teoretiskt driva en elbil 30 till 50 procent längre mellan laddningarna. Men dessa litiumrika katoder tappar snabbt spänning, och år av forskning har inte kunnat slå fast varför - förrän nu.

Efter att ha tittat på problemet från många vinklar, forskare från Stanford University, två nationella laboratorier från Department of Energy och batteritillverkaren Samsung skapade en heltäckande bild av hur samma kemiska processer som ger dessa katoder deras höga kapacitet också är kopplade till förändringar i atomstrukturen som sänker prestanda.

"Det här är goda nyheter, sade William E. Gent, en doktorand vid Stanford University och Siebel Scholar som ledde studien. "Det ger oss en lovande ny väg för att optimera spänningsprestandan hos litiumrika katoder genom att kontrollera hur deras atomstruktur utvecklas när ett batteri laddas och laddas ur."

Michael Toney, en framstående forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och en medförfattare till artikeln, Lagt till, "Det är en enorm affär om man kan få dessa litiumrika elektroder att fungera eftersom de skulle vara en av möjliggörarna för elbilar med mycket längre räckvidd. Det finns ett enormt intresse inom bilindustrin för att utveckla sätt att implementera dessa, och att förstå vad de tekniska hindren är kan hjälpa oss att lösa problemen som håller dem tillbaka."

Lagets rapport visas idag i Naturkommunikation .

Forskarna studerade katoderna med en mängd olika röntgentekniker vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och Lawrence Berkeley National Laboratorys Advanced Light Source (ALS). Teoretiker från Berkeley Labs Molecular Foundry, ledd av David Prendergast, var också inblandade, hjälpa experimentörerna att förstå vad de ska leta efter och förklara deras resultat.

Själva katoderna tillverkades av Samsung Advanced Institute of Technology med kommersiellt relevanta processer, och sätts ihop till batterier som liknar dem i elfordon.

"Detta säkerställde att våra resultat representerade en förståelse för ett banbrytande material som skulle vara direkt relevant för våra branschpartners, " sa Gent. Som ALS doktorand i residens, han var involverad i både experimenten och den teoretiska modelleringen för studien.

Som en hink halvtom

Batterier omvandlar elektrisk energi till kemisk energi för lagring. De har tre grundläggande delar - två elektroder, katoden och anoden, och den flytande elektrolyten mellan dem. När ett litiumjonbatteri laddas och laddas ur, litiumjoner pendlar fram och tillbaka mellan de två elektroderna, där de förs in i elektrodmaterialen.

Ju fler joner en elektrod kan absorbera och frigöra i förhållande till dess storlek och vikt - en faktor som kallas kapacitet - desto mer energi kan den lagra och desto mindre och lättare kan ett batteri vara, låta batterier krympa och elbilar färdas fler mil mellan laddningarna.

"Katoden i dagens litiumjonbatterier fungerar på bara ungefär hälften av sin teoretiska kapacitet, vilket innebär att den ska kunna hålla dubbelt så länge per laddning, " sa Stanford Professor William Chueh, en utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC.

"Men du kan inte ladda den hela vägen full. Det är som en hink du fyller med vatten, men då kan du bara hälla ut hälften av vattnet. Detta är en av de stora utmaningarna på området just nu - hur får man dessa katodmaterial att bete sig upp till sin teoretiska kapacitet? Det är därför folk har varit så exalterade över möjligheten att lagra mycket mer energi i litiumrika katoder."

Som dagens katoder, litiumrika katoder är gjorda av lager av litium inklämda mellan lager av övergångsmetalloxider - element som nickel, mangan eller kobolt i kombination med syre. Tillsats av litium till oxidskiktet ökar katodens kapacitet med 30 till 50 procent.

Ansluta prickarna

Tidigare forskning har visat att flera saker händer samtidigt när litiumrika katoder laddas, Chueh sa:Litiumjoner rör sig ut ur katoden in i anoden. Vissa övergångsmetallatomer flyttar in för att ta deras plats. Under tiden, syreatomer frigör några av sina elektroner, fastställa den elektriska strömmen och spänningen för laddning, enligt Chueh. När litiumjonerna och elektronerna återvänder till katoden under urladdning, de flesta av övergångsmetallintrångarna återvänder till sina ursprungliga platser, men inte alla och inte direkt. Med varje cykel, detta fram och tillbaka ändrar katodens atomstruktur. Det är som om hinken förvandlas till en mindre och lite annorlunda hink, Chueh tillade.

"Vi visste att alla dessa fenomen förmodligen var relaterade, men inte hur, ", sade Chueh. "Nu visar den här experimentsviten vid SSRL och ALS mekanismen som förbinder dem och hur man kontrollerar den. Detta är en betydande teknisk upptäckt som människor inte har förstått holistiskt."

På SLAC:s SSRL, Toney och hans kollegor använde en mängd olika röntgenmetoder för att göra en noggrann bestämning av hur katodens atomära och kemiska struktur förändrades när batteriet laddades och laddades ur.

Ett annat viktigt verktyg var mjuk röntgen RIXS, eller resonant oelastisk röntgenspridning, som hämtar information i atomär skala om ett materials magnetiska och elektroniska egenskaper. Ett avancerat RIXS-system som började användas vid ALS förra året skannar prover mycket snabbare än tidigare.

"RIXS har mest använts för grundläggande fysik, " ALS-forskaren Wanli Yang sa. "Men med detta nya ALS-system, vi ville verkligen öppna upp RIXS för praktiska materialstudier, inklusive energirelaterade material. Nu när dess potential för dessa studier delvis har visats, vi kunde enkelt utöka RIXS till andra batterimaterial och avslöja information som inte var tillgänglig tidigare."

Teamet arbetar redan mot att använda den grundläggande kunskap de har fått för att designa batterimaterial som kan nå sin teoretiska kapacitet och inte förlora spänning över tiden.