Miljarder smartphoneägare är bekanta med den fruktade symbolen "lågt batteri" på sina enheter. Medan konsumenterna stönar, forskare arbetar för att förstå varför och när litiumjonbatterier i telefoner, plug-in elfordon, och andra applikationer förlorar laddning eller misslyckas.

Ett av de bästa verktygen forskarna använder i denna undersökning är röntgenstrålar från Department of Energys (DOE) avancerade ljuskällor. Dessa ljuskällor använder strålar av elektroner för att producera röntgenstrålar som är mer än en miljard gånger starkare än de på tandläkarmottagningen. Jämfört med svagare röntgenstrålar tillgängliga i andra anläggningar, ljuskällorna gör det möjligt för forskare att samla in mer data i större detalj än de annars skulle kunna. Forskare använder dessa unika verktyg för att undersöka hur litiumjonbatterier fungerar i realtid.

Från labbet till vägen

På 1990 -talet, befintliga batterimaterial var helt enkelt inte lämpade för den nivå av kraft och prestanda som behövs för hybrid- eller plug-in elfordon. Som svar, forskare vid DOE:s Argonne National Laboratory använde Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science-användaranläggning, att observera interaktioner inom batterier på atomnivå för första gången.

APS låter också forskare se vad som händer på atomnivå när batterier laddas och laddas ur. Med denna förståelse, tillverkare kan förbättra batteriernas prestanda och livslängd och i slutändan kunna tillverka mer prisvärd och effektiv elektronik och plug-in elfordon.

Forskare gör detta genom att använda APS för att titta på batterier på plats, eller medan de faktiskt arbetar. Tidigare, forskare körde tester på ett batteri, tog isär det, och undersökte den i mikroskop. I kontrast, Genom att studera batterier på plats kan de både se atomer som rör sig inuti batteriet och mäta molekylstrukturens stabilitet under laddning och urladdning.

När forskare med stöd av Office of Science kartlade grunderna, de överförde arbetet till tillämpade forskare med stöd av DOE:s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Den forskningen ledde till en ny katod för litiumjonbatterier som var säkrare, billigare, och kan lagra mer energi än någonsin tidigare. (Katoden är den positiva elektroden i en battericell, som accepterar litiumjoner och elektroner från den negativa anoden under urladdning eller användning.) Faktum är att, dessa framsteg var så betydande att Chevrolet använde katoden i det första plug-in-elfordonet på massmarknaden – Volt.

Röntgenstrålar:Hård och mjuk

Både flygplatssäkerhetsmaskiner och APS producerar "hårda" röntgenstrålar, som är högre energi med kortare våglängder (mindre än 1 nanometer eller 1/100, 000:e tjockleken på ett papper). Hårda röntgenstrålar är mycket bra på att penetrera material och titta på atomära strukturer.

I kontrast, "mjuka" röntgenstrålar är lägre energi med längre våglängder (1-10 nanometer). Medan deras våglängder är för långa för att undersöka atomära strukturer, de ger "verkligen utsökt kemisk information, " enligt David Shapiro, en fysiker vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Med hjälp av dessa röntgenstrålar, forskare kan undersöka kemiska tillstånd och dessa staters transformationer inom nanomaterial. Den avancerade ljuskällan på LBNL, en användaranläggning för DOE Office of Science, är en av världens ljusaste källor till mjuka röntgenstrålar.

Var och en av dessa ljuskällor gör det möjligt för forskare att studera en annan aspekt av litiumjonpusslet.

"Varje enskild teknik har någon form av brist med avseende på hela historien, sa Jason Croy, en materialvetare vid Argonne. "[Men] varje teknik kan vara riktigt kraftfull för att ge dig vissa bitar av information."

Faktiskt, forskare tycker om utmaningen att sammanföra de olika resultaten.

"Det är ett bra fält eftersom det utnyttjar styrkorna i alla anläggningar, sa Shapiro.

Undersöker batterier från alla vinklar

Forskare från nationella laboratorier, universitet, och andra forskningsinstitutioner använder användaranläggningarnas exceptionella instrument för att gräva djupare i litiums interaktioner. Arbetet vid de tre ljuskällorna stöds av DOE:s Office of Science.

Förstå dislokationer vid Argonne:Forskare vid Argonne bygger på det arbete som bidrog till Chevrolet Volts katod. Den ursprungliga studien försökte förstå litiumstrukturen med mangan och andra övergångsmetalloxidformer innan den gick igenom flera laddningsurladdningscykler.

Nu, forskare tittar på hur batteriets struktur försämras med tiden. När batteriet laddas och laddas ur, litiumjonerna rör sig in och ut ur anoden och katoden. Dock, andra atomer i elektroderna rör sig också, orsakar skada och minskar batteriets förmåga att leverera energi. Med hjälp av APS, forskare undersökte hur dessa enskilda atomer rör sig och spårade hur strukturen förändras med användning.

För närvarande, forskare ändrar batteriernas struktur och ser hur dessa förändringar påverkar batterierna. Helst dessa ändringar kommer att öka stabiliteten i batteriernas strukturer, minimera nedbrytning, och förbättra sina prestationer.

Brookhaven Views Batterier i 5D:DOE:s Brookhaven National Laboratory (BNL) har nyligen lagt till ytterligare en dimension till batteriforskning. De utvecklade det mest omfattande utseendet på batterier hittills:en 3D kemisk karta i nanometerskala som kartlägger förändringar över tiden.

I vanliga fall, Röntgenspektroskopi producerar 2D-bilder som visar genomsnittet av vad som händer över ett helt prov. Det visar inte vad som händer i enskilda lager.

I kontrast, BNL-teamet kombinerade National Synchrotron Light Source (NSLS) – då en DOE-användaranläggning – och ett unikt röntgenmikroskop för full fälttransmission för att utveckla en ny röntgen-nanoavbildningsteknik. Forskarna roterade batteriprover 180 grader under hårda röntgenstrålar av olika röntgenenergier.

"Detta är första gången [vi kan] på plats övervaka fastransformationen i 3D i nanometerskala i en fungerande battericell, sa Jun Wang, en fysiker vid BNL.

Wang och hennes kollegor kommer att fortsätta sitt arbete på NSLS-II, som kommer att följa på den ursprungliga NSLS. NSLS-II kommer så småningom att ge strålar 10, 000 gånger ljusare än sin föregångare, gör det möjligt för forskare att studera dessa reaktioner på en ännu finare tidsskala.

Snabb vs långsam laddning hos Lawrence Berkeley:LBNL-forskare undersöker samma problem, men från ett annat perspektiv och med en annan maskin. Med hjälp av mjuka röntgenstrålar från den avancerade ljuskällan (ALS), de tittar på hur laddningshastigheten och om ett batteri laddas eller laddas ur påverkar distributionen och transporten av joner.

Ett team av forskare från Stanford University, arbetar med LBNL, byggt ett genomskinligt batteri i nanoskala som har en tio miljarddels laddning av en smartphone. Det låter dem observera rörelsen av individuella litiumjoner.

Helst joner bör fördela sig jämnt över elektroderna när de rör sig fram och tillbaka. Tyvärr, de gör inte, orsakar stress på vissa ställen.

Teamet fann att långsam laddning faktiskt resulterade i mer oregelbunden distribution än snabbladdning. Detta var förvånande, med tanke på att snabbladdning brukar anses vara mer skadlig för batteriet. De fann också att laddning av batteriet orsakade mer ojämn fördelning än urladdning, eller använder batteriet, gör.

Med utgångspunkt i denna forskning, LBNL-forskare kanske kan minska en källa till skador på batterier, förbättra deras prestanda och livslängd.