Ingenjörer strävar efter att designa smartphones med batterier som håller längre, elfordon som kan köra hundratals mil på en enda laddning, och ett pålitligt elnät som kan lagra förnybar energi för framtida bruk. Var och en av dessa teknologier är inom räckhåll – det vill säga om forskare kan bygga bättre katodmaterial.

Hittills, den typiska strategin för att förbättra katodmaterial har varit att ändra deras kemiska sammansättning. Men nu, kemister vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har gjort ett nytt fynd om batteriprestanda som pekar på en annan strategi för att optimera katodmaterial. Deras forskning, publiceras i Materialkemi och medverkade i ACS Editors' Choice , fokuserar på att kontrollera mängden strukturella defekter i katodmaterialet.

"Istället för att ändra katodens kemiska sammansättning, vi kan ändra arrangemanget av dess atomer, " sa motsvarande författare Peter Khalifah, en kemist vid Brookhaven Lab och Stony Brook University.

I dag, de flesta katodmaterial består av alternerande lager av litiumjoner och övergångsmetaller, som nickel. Inom den skiktade strukturen, ett litet antal defekter kan vanligtvis hittas. Det betyder att atomer från en övergångsmetall kan hittas där en litiumjon ska vara och vice versa.

"Du kan tänka på en defekt som ett "misstag" i perfektionen av materialets struktur, " sade Khalifah. "Det är känt att många defekter kommer att leda till dålig batteriprestanda, men vad vi har kommit att lära oss är att ett litet antal defekter faktiskt borde förbättra nyckelegenskaper."

Khalifah säger att det finns två egenskaper som ett bra katodmaterial kommer att ha:jonkonduktivitet (litiumjonerna kan röra sig bra) och elektronisk konduktivitet (elektronerna kan röra sig bra).

"Närvaron av en defekt är som att sticka ett hål mellan litiumjon- och övergångsmetallskikten i katoden, " sa han. "Istället för att vara begränsad till två dimensioner, litiumjonerna och elektronerna kan röra sig i tre dimensioner över lagren."

För att dra denna slutsats, forskarna behövde genomföra experiment med hög precision som mätte koncentrationen av defekter i ett katodmaterial med mycket större noggrannhet än någonsin tidigare.

"Koncentrationen av defekter i ett katodmaterial kan variera mellan två och fem procent, " sade Khalifah. "Innan, defekter kunde endast mätas med en känslighet på cirka en procent. I den här studien, vi mätte defektkoncentrationen med utsökt noggrannhet - en känslighet på en tiondels procent."

För att uppnå denna precision, forskarna genomförde pulverdiffraktionsanalyser med hjälp av data från två DOE Office of Science User Facilities, den avancerade fotonkällan (APS) vid DOE:s Argonne National Laboratory och Spallation Neutron Source (SNS) vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory.

Pulverdiffraktion är en kraftfull forskningsteknik som avslöjar placeringen av enskilda atomer i ett material genom att rikta strålar av röntgenstrålar, neutroner, eller elektroner vid materialet och studera hur strålarna diffrakterar. I den här studien, forskarna genomförde röntgenmätningar vid APS och neutronmätningar vid SNS.

"Detta arbete har utvecklat ett nytt sätt att visualisera strukturella defekter och deras förhållande till diffraktion och spridningsstyrka, sa Saul Lapidus, en fysiker på avdelningen för röntgenvetenskap vid APS. "Jag förväntar mig att den här tekniken i framtiden kommer att användas ofta inom batterisamhället för att förstå defekter och strukturella egenskaper hos katodmaterial."

Khalifah lade till, "förmågan att mäta koncentrationen av svagt spridande element med en känslighet på en tiondels procent kommer också att vara användbar för många andra forskningsområden, som att mäta syrevakanser i supraledande material eller katalysatorer."

Med så noggranna mätningar av defektkoncentrationer, forskarna kunde sedan studera sambandet mellan defekter och katodmaterialkemi.

I sista hand, de utvecklade ett "recept" för att uppnå alla defekter, som, i framtiden, kan vägleda forskare att syntetisera katoder från mer överkomliga och miljövänliga material och sedan justera deras defektkoncentrationer för optimal batteriprestanda.