Litiumjonbatterier används ofta i hemelektronik och används nu för att driva elfordon och lagra energi till elnätet. Men deras begränsade antal laddningscykler och tendens att försämras i kapacitet under deras livstid har stimulerat en hel del forskning för att förbättra tekniken.

Ett internationellt team ledd av forskare från det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) använde avancerad teknik inom elektronmikroskopi för att visa hur förhållandet mellan material som utgör en litiumjonbatterielektrod påverkar dess struktur på atomnivå, och hur ytan skiljer sig mycket från resten av materialet. Verket publicerades i tidskriften Energi- och miljövetenskap .

Att veta hur den interna strukturen och ytstrukturen hos ett batterimaterial förändras över ett brett spektrum av kemiska sammansättningar kommer att underlätta framtida studier av katodtransformationer och kan också leda till utvecklingen av nya batterimaterial.

"Detta fynd kan förändra hur vi ser på fastransformationer inom katoden och den resulterande förlusten av kapacitet i denna klass av material, " sa Alpesh Khushalchand Shukla, en forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry, och huvudförfattare till studien. "Vårt arbete visar att det är extremt viktigt att helt karakterisera ett nytt material i dess orörda tillstånd, såväl som efter cykling, för att undvika feltolkningar."

Tidigare arbete av forskare vid Molecular Foundry, ett forskningscenter specialiserat på vetenskap i nanoskala, avslöjade strukturen hos katodmaterial som innehåller "överskott" litium, lösa en långvarig debatt.

Med hjälp av en serie elektronmikroskop både vid National Center for Electron Microscopy (NCEM), en Molecular Foundry-anläggning, och på SuperSTEM, den nationella forskningsanläggningen för avancerad elektronmikroskopi i Daresbury, STORBRITANNIEN., forskargruppen fann att även om atomerna i det inre av katodmaterialet förblev i samma strukturella mönster över alla kompositioner, att minska mängden litium orsakade en ökning av slumpmässighet i positionen för vissa atomer i strukturen.

Genom att jämföra olika sammansättningar av katodmaterial med batteriprestanda, forskarna visade också att det var möjligt att optimera batteriprestanda i förhållande till kapacitet genom att använda ett lägre förhållande mellan litium och andra metaller.

Det mest överraskande fyndet var att ytstrukturen hos en oanvänd katod skiljer sig mycket från katodens inre. Ett tunt lager av material på ytan som har en annan struktur, kallad "spinel"-fasen, hittades i alla deras experiment. Flera tidigare studier hade förbisett att detta lager kan finnas på både nya och använda katoder.

Genom att systematiskt variera förhållandet mellan litium och en övergångsmetall, som att prova olika mängder ingredienser i ett nytt kakrecept, forskargruppen kunde studera sambandet mellan ytan och den inre strukturen och mäta materialets elektrokemiska prestanda. Teamet tog bilder av varje sats av katodmaterial från flera vinklar och skapade kompletta, 3D-renderingar av varje struktur.

"Att få så exakta, information på atomnivå över längdskalor som är relevanta för batteriteknik var en utmaning, sa Quentin Ramasse, Direktör för SuperSTEM-laboratoriet. "Detta är ett perfekt exempel på varför de många avbildnings- och spektroskopitekniker som finns tillgängliga inom elektronmikroskopi gör det till ett så oumbärligt och mångsidigt verktyg inom forskning om förnybar energi."

Forskarna använde också en nyutvecklad teknik som kallas 4-D scanning transmission elektronmikroskopi (4-D STEM). Vid transmissionselektronmikroskopi (TEM), bilder bildas efter att elektroner passerat genom ett tunt prov. I konventionell scanning transmission electrode microscopy (STEM), elektronstrålen fokuseras ner till en mycket liten punkt (så liten som 0,5 nanometer, eller miljarddels meter, i diameter) och sedan skannas den punkten fram och tillbaka över provet som en gräsklippare på en gräsmatta.

Detektorn i konventionell STEM räknar helt enkelt hur många elektroner som är spridda (eller inte spridda) i varje pixel. Dock, i 4D-STEM, forskarna använder en höghastighets elektrondetektor för att registrera var varje elektron sprids, från varje skannad punkt. Det gör det möjligt för forskare att mäta den lokala strukturen av sitt prov med hög upplösning över ett stort synfält.

"Introduktionen av höghastighetselektronkameror gör att vi kan extrahera information i atomär skala från mycket stora provdimensioner, sa Colin Ophus, en forskare vid NCEM. "4D-STEM-experiment innebär att vi inte längre behöver göra en avvägning mellan de minsta egenskaperna vi kan lösa och synfältet som vi observerar - vi kan analysera atomstrukturen för hela partikeln på en gång."