Forskare från University of Illinois i Chicago och Lawrence Berkeley National Laboratory har utvecklat en ny teknik som låter dem hitta platsen för kemiska reaktioner som sker inom litiumjonbatterier i tre dimensioner på nanoskala. Deras resultat publiceras i tidskriften Naturkommunikation .

"Att veta de exakta platserna för kemiska reaktioner inom enskilda nanopartiklar som deltar i dessa reaktioner hjälper oss att identifiera hur ett batteri fungerar och avslöja hur batteriet kan optimeras för att få det att fungera ännu bättre, "sa Jordi Cabana, docent i kemi vid UIC och motsvarande författare på uppsatsen.

När ett batteri laddas och laddas ur, dess elektroder - materialen där reaktionerna som producerar energi äger rum - oxideras och reduceras växelvis. De kemiska vägar genom vilka dessa reaktioner sker hjälper till att avgöra hur snabbt ett batteri tar slut.

Tillgängliga verktyg för att studera dessa reaktioner kan endast ge information om den genomsnittliga sammansättningen av elektroder vid en given tidpunkt. Till exempel, de kan låta en forskare veta vilken procentandel av elektroden som har blivit permanent oxiderad. Men dessa verktyg kan inte ge information om placeringen av oxiderade delar i elektroden. På grund av dessa begränsningar, det är inte möjligt att avgöra om reaktionerna är begränsade till ett visst område av elektroden, såsom materialets yta, eller om reaktioner äger rum enhetligt genom elektroden.

"Att kunna berätta om det finns en tendens att en reaktion äger rum i en specifik del av elektroden, och ännu bättre, platsen för reaktioner inom enskilda nanopartiklar i elektroden, skulle vara extremt användbart för då kunde du förstå hur de lokaliserade reaktionerna korrelerar med batteriets beteende, t.ex. laddningstiden eller antalet laddningscykler den kan genomgå effektivt, "Sa Cabana.

Den nya tekniken, kallad röntgenpytografisk tomografi, uppstod genom ett partnerskap mellan kemister vid UIC och forskare vid Advanced Light Source, vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien. Avancerade ljuskällforskare utvecklade instrumenterings- och mätalgoritmerna, som användes för att svara på grundläggande frågor om batterimaterial och beteende som identifierats av UIC -teamet.

Tillsammans, de två lagen använde tomografisk teknik för att titta på tiotals nanopartiklar litium-järnfosfat som återhämtats från en batterielektrod som hade laddats delvis. Forskarna använde en sammanhängande, nanoskala av röntgenstrålar som genereras av synkrotronacceleratorn med hög flöde vid den avancerade ljuskällan för att förhöra varje nanopartikel. Mönstret för absorption av strålen av materialet gav forskarna information om oxidationstillståndet för järn i nanopartiklarna i röntgenstrålen. Eftersom de kunde flytta strålen bara några nanometer över och köra deras förhör igen, laget kunde rekonstruera kemiska kartor över nanopartiklarna med en upplösning på cirka 11 nanometer. Genom att rotera materialet i rymden, de skulle kunna skapa en tredimensionell tomografisk rekonstruktion av oxidationstillstånden för varje nanopartikel. Med andra ord, de kunde berätta i vilken utsträckning en enskild nanopartikel av litiumjärnfosfat hade reagerat.

"Med hjälp av vår nya teknik, vi kunde inte bara se att enskilda nanopartiklar visade olika omfattning av reaktion vid en given tidpunkt, men också hur reaktionen fungerade sig genom det inre av varje nanopartikel, "Sa Cabana.