De första timmarna av ett litiumjonbatteris livslängd avgör till stor del hur bra det kommer att prestera. I de ögonblicken, en uppsättning molekyler sätts ihop till en struktur inuti batteriet som kommer att påverka batteriet i många år framöver.

Denna komponent, känd som solid-electrolyte interphasen eller SEI, har det avgörande jobbet att blockera vissa partiklar samtidigt som de låter andra passera, som en krogstudsare som avvisar oönskade och samtidigt släpper in glitteratisen. Strukturen har varit en gåta för forskare som har studerat den i decennier. Forskare har utnyttjat flera tekniker för att lära sig mer men aldrig - förrän nu - hade de sett dess skapelse på molekylär nivå.

Att veta mer om SEI är ett avgörande steg på vägen mot att skapa mer energisk, mer hållbara och säkrare litiumjonbatterier.

Verket publicerat 27 januari in Naturens nanoteknik utfördes av ett internationellt team av forskare ledda av forskare vid U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory och US Army Research Laboratory. Motsvarande författare inkluderar Zihua Zhu, Chongmin Wang och Zhijie Xu från PNNL och Kang Xu från U.S. Army Research Laboratory.

Varför litiumjonbatterier alls fungerar:SEI

Fast-elektrolyt-mellanfasen är en mycket tunn film av material som inte existerar när ett batteri först byggs. Först när batteriet laddas för första gången aggregerar molekyler och reagerar elektrokemiskt för att bilda strukturen, som fungerar som en gateway som tillåter litiumjoner att passera fram och tillbaka mellan anoden och katoden. Avgörande, SEI tvingar elektroner att ta en omväg, som håller batteriet igång och möjliggör energilagring.

Det är på grund av SEI som vi överhuvudtaget har litiumjonbatterier för att driva våra mobiltelefoner, bärbara datorer och elfordon.

Men forskare behöver veta mer om denna gateway-struktur. Vilka faktorer skiljer glitterati från riffraffen i ett litiumjonbatteri? Vilka kemikalier behöver ingå i elektrolyten, och i vilka koncentrationer, för att molekylerna ska forma sig själva till de mest användbara SEI-strukturerna så att de inte kontinuerligt suger upp molekyler från elektrolyten, skadar batteriets prestanda?

Forskare arbetar med en mängd olika ingredienser, förutsäga hur de kommer att kombineras för att skapa den bästa strukturen. Men utan mer kunskap om hur fast-elektrolyt-interfasen skapas, forskare är som kockar som jonglerar med ingredienser, arbetar med kokböcker som bara är delvis skrivna.

Utforska litiumjonbatterier med ny teknik

För att hjälpa forskare att bättre förstå SEI mer, teamet använde PNNL:s patenterade teknologi för att analysera strukturen när den skapades. Forskare använde en energisk jonstråle för att tunnla in i en just-bildande SEI i ett fungerande batteri, skickar en del av materialet i luften och fångar upp det för analys samtidigt som man litar på ytspänningen för att hålla kvar den flytande elektrolyten. Sedan analyserade teamet SEI-komponenterna med en masspektrometer.

Det patenterade tillvägagångssättet, känd som in situ flytande sekundär jonmasspektrometri eller flytande SIMS, gjorde det möjligt för teamet att få en oöverträffad titt på SEI när den bildades och kringgå problem som ett fungerande litiumjonbatteri. Tekniken skapades av ett team ledd av Zhu, bygger på tidigare SIMS-arbete av PNNL-kollegan Xiao-Ying Yu.

"Vår teknik ger oss en gedigen vetenskaplig förståelse av den molekylära aktiviteten i denna komplexa struktur, ", sade Zhu. "Fynden kan potentiellt hjälpa andra att skräddarsy kemin hos elektrolyten och elektroderna för att göra bättre batterier."

Forskare från U.S. Army och PNNL samarbetar

PNNL-teamet kopplade till Kang Xu, en forskare vid U.S. Army Research Laboratory och en expert på elektrolyter och SEI, och tillsammans tog de sig an frågan.

Forskarna bekräftade vad forskare har misstänkt - att SEI består av två lager. Men laget gick mycket längre, specificera den exakta kemiska sammansättningen av varje lager och bestämma de kemiska steg som sker i ett batteri för att åstadkomma strukturen.

Teamet fann att ett lager av strukturen, bredvid anoden, är tunn men tät; detta är skiktet som stöter bort elektroner men låter litiumjoner passera igenom. Det yttre lagret, precis bredvid elektrolyten, är tjockare och förmedlar interaktioner mellan vätskan och resten av SEI. Det inre lagret är lite hårdare och det yttre är mer flytande, lite som skillnaden mellan underkokt och överkokt havregryn.

Litiumfluorids roll

Ett resultat av studien är en bättre förståelse av litiumfluoridens roll i elektrolyten som används i litiumjonbatterier. Flera forskare, inklusive Kang Xu, har visat att batterier med SEI rikare på litiumfluorid presterar bättre. Teamet visade hur litiumfluorid blir en del av det inre lagret av SEI, och resultaten ger ledtrådar om hur man kan införliva mer fluor i strukturen.

"Med denna teknik, du lär dig inte bara vilka molekyler som finns utan också hur de är uppbyggda, " Wang säger. "Det är skönheten med den här tekniken."