En experimentell teknik utvecklad av A*STAR-forskare har använts för att spåra de kemiska och strukturella förändringarna i en elektrod när ett batteri laddas ur. Den röntgenbaserade tekniken bör bidra till att förbättra prestandan hos material i nästa generations batterier.

Litiumjonbatterier används ofta i vårt dagliga liv, till exempel i mobila enheter och elfordon. De lagrar och frigör energi genom att skjuta litiumjoner mellan två elektroder (se bild). Men mängden energi som dessa elektroder kan lagra, och den hastighet med vilken batterierna laddas eller laddas ur, är fortfarande relativt begränsad. Dessutom, upprepad användning kan få elektroderna att expandera och dra ihop sig, försämrar deras prestanda över tid.

Elektroder som innehåller titandioxid nanorör organiserade i en form som kallas bronsfasen kan hjälpa till att övervinna dessa restriktioner eftersom materialet har en hög teoretisk laddningskapacitet och dess volym ändras lite under drift. Dock, dess laddningsmekanism är inte helt förstådd, på grund av begränsningarna hos analytiska verktyg som direkt kan undersöka ytladdningsprocessen.

Yonghua Du från A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, och Xiaodong Chens grupp vid Nanyang Technological University har nu tagit itu med detta problem genom att använda Singapore Synchrotron Light Source för att utföra röntgenabsorptionsspektroskopimätningar på titandioxidelektroderna under drift.

De upptäckte att den genomsnittliga laddningen av materialets titanatomer, känd som deras valenstillstånd, sjönk stadigt från ungefär fyra till tre när materialet samlade litiumjoner under urladdningen. Experimenten avslöjade också hur materialets kristallstruktur expanderade när litiumjoner ackumulerades i elektroden. Eftersom titanatomer i ett lågvalenstillstånd är något större än de i ett högre valenstillstånd, detta förvrängde ytterligare kristallstrukturen. "En fasövergång sker under laddning och urladdning, " förklarar Du.

Olika mekanismer för laddningslagring kan förekomma vid elektrodens yta, som experimenten kvantifierade för första gången. De visade att det mesta av batteriets lagringskapacitet beror på förändringen i titans valenstillstånd. Ytterligare tester visade att ihåliga nanorör av titandioxid kunde lagra mer laddning än nanotrådar av samma material.

När utsläppshastigheten ökade, en större andel litiumjoner lagrades vid elektrodens yta, snarare än djupt inne i dess struktur. Detta minskade förändringen i det genomsnittliga valenstillståndet för titan, vilket i slutändan sänkte elektrodens energikapacitet.

Denna analys av hur litiumjonbatterierna fungerar kommer att hjälpa forskare att utforma elektrodnanostrukturer för att förbättra litiumjonlagring och rörlighet. Du noterar att deras röntgenabsorptionsspektroskopiteknik också kan tillämpas på andra elektrodmaterial.