Argonne-teamet utvecklar en kraftfull teknik för att i tre dimensioner sondera den kristallina strukturen hos katodmaterial på nanoskala.

En av de många styrkorna hos U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory är dess förmåga att samla djupa och breda multidisciplinära team för att lösa komplexa vetenskapliga problem. Dessa team har till sitt förfogande en mängd faciliteter i världsklass för forskning, inklusive Advanced Photon Source (APS) – en DOE Office of Science User Facility som ger ultraljus, högenergiröntgenstrålar för materialforskning i framkant.

Ett sådant Argonne-team har utvecklat en kraftfull ny teknik för att i tre dimensioner sondera den kristallina mikrostrukturen för katodmaterialen i nästa generations batterier. Sådana batterier kan en dag revolutionera energilagring för både transporter och elnätet.

"Vårt projekt krävde ett tvärvetenskapligt team med expertis inom batterimaterial och kemi, Röntgenspridning, datorprogrammering och komplex dataanalys - expertis lätt tillgänglig på Argonne, "sa Raymond Osborn, medansvarig utredare för detta projekt i Argonnes materialvetenskapsavdelning tillsammans med Stephan Rosenkranz. "Detta är ett perfekt exempel på vetenskap i stor skala, utnyttja Argonnes tvärvetenskapliga team och anläggningar i världsklass för att lösa komplexa problem med en potentiell samhällspåverkan. "

Teamet inkluderade forskare från fyra Argonne-divisioner:Materials Science, Kemivetenskap och teknik, Datavetenskap och lärande och röntgenvetenskap. Postdoktorn Matthew Krogstad på division Materials Science ansvarade för viktiga innovationer som möjliggjorde framgång i projektet.

Nyckeln till framgång var också användningen av högenergiröntgenstrålar som endast finns tillgängliga vid synkrotronanläggningar som APS och Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) vid Cornell University. "Röntgenstrålar med mycket hög energi, som de som finns tillgängliga på APS, penetrera djupt inuti katodmaterialet, gör dessa banbrytande mätningar möjliga, "sa Jonathan Lang, chef för APS röntgenvetenskapsavdelningen.

Frukten av detta tvärvetenskapliga projekt är ett viktigt nytt verktyg för att undersöka vad som händer under processen "interkalering" - införandet av joner mellan skikten i en katod när ett batteri genererar elektricitet. Efter denna process är "avkalkning" - extraktion av samma joner från katoden när ett batteri laddas.

Det konventionella litiumjonbatteriet fungerar med denna process. I sökandet efter bättre katodmaterial, forskare har använt röntgen- och elektrondiffraktion för att bestämma hur litiumjoner eller andra interkalanter kan utveckla långväga ordnade strukturer. Sådana strukturer hindrar rörelsen av metalljonerna i katoden, vilket hindrar deras extraktion och insättning under cykling och försämrar batteriets prestanda.

Dold från syn tills nu, dock, har varit kortdistansordern, som också stör jonisk rörlighet, men kan inte observeras med konventionella diffraktionstekniker.

"Short-range order är extremt utmanande att mäta och ännu svårare att modellera, "Osborn noterade, "men de senaste framstegen inom synkrotronkällor gör det nu praktiskt att använda nya tekniker för att visualisera resultaten och övervaka de joniska korrelationerna i detalj som en funktion av temperaturen."

Forskargruppen förberedde först en enkristall av ett skiktat vanadinoxidkatodmaterial med insatta natriumjoner. De valde detta material eftersom natriumjonbatterier övervägs som ett alternativ till litiumjonbatterier på grund av större överflöd och lägre natriumkostnad.

På APS och CHESS, teammedlemmar mätte sedan spridningen av högenergiröntgenstrålar från kristallen och bestämde de korta avståndskorrelationerna mellan natriumjonerna i kristallstrukturen vid olika temperaturer. Från dessa mätningar, de bestämde sannolikheten för om varje möjlig atomplats inom kristallstrukturen var upptagen av en atom eller inte, med användning av en metod som kallas "3-D-ΔPDF."

"Data är av så hög kvalitet att dessa 3D-sannolikhetskartor ser ut som bilder i atomskala, "Krogstad sa." Du kan se var natriumjonerna är utan att behöva utföra någon komplicerad analys. Vi blev förvånade när vi först såg hur intuitiva resultaten var att förstå."

Dessa tredimensionella "bilder" avslöjade att natriumjonerna bildar ett sicksackmönster i separata kolumner bland vanadinoxidatomerna (se figur). Denna atomordning i kristallstrukturen ökar med minskande temperatur under rumstemperatur. I ett natriumbatteri, jonerna skulle diffundera längs sicksackvägarna.

"Ju större avbrott i det sicksackmönstret, " förklarade Osborn, "ju bättre för jonrörlighet. Och ju bättre jonrörlighet, desto bättre katodmaterials prestanda. "

"Dessa fynd ger en mycket förbättrad förståelse för hur övergångar av ordningsstörningar begränsar rörligheten för natriumjoner, "Rosenkranz sa." Forskare kan också använda sådana mätningar för att bedöma effektiviteten av strategier för att minska sådana negativa effekter och därigenom öka katodprestandan. "

"Medan vår forskning fokuserade på ett utvalt katodmaterial i ett natriumjonbatteri, "tillade Rosenkranz, "vår metod gäller för att undersöka kortdistansordningen i många andra kristallina material med en mängd olika tekniska tillämpningar som en funktion av temperatur eller andra variabler."

Denna forskning dök upp i Naturmaterial , "Ömsesidig rymdavbildning av joniska korrelationer i interkalationsföreningar."