Från nästa generations smartphones till elbilar med längre räckvidd och ett förbättrat elnät, bättre batterier driver teknisk innovation. Och för att driva batterier bortom dagens prestanda, forskare vill se "under huven" för att lära sig hur de enskilda ingredienserna i batterimaterial beter sig under ytan.

Detta kan i slutändan leda till batteriförbättringar som ökad kapacitet och spänning.

Men många av de tekniker som forskare använder kan bara repa ytan på det som fungerar på insidan av batterier, och en högkänslig röntgenteknik vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) lockar en växande grupp forskare eftersom den ger en djupare, mer exakt dykning i batterikemi.

"Folk försöker driva batteridriften utöver vad de fick innan, "sa Wanli Yang, en personalvetare vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) som anpassade en röntgenteknik känd som RIXS (resonant oelastisk röntgenspridning), för användning i ALS -experiment med fokus på batterier och andra energimaterial. ALS producerar ljusstrålar från infrarött till röntgenstrålar för att stödja en mängd samtidiga experiment som utförs av forskare från hela världen som använder anläggningen.

Tekniken som Yang anpassade för batteriforskning, känd som högeffektiv mRIXS (kartläggning av RIXS), har lockat särskilt intresse från forskare som studerar konstruktioner för elektroder, som är batterikomponenter genom vilka ström passerar in och ut ur batteriet. Tidigare, RIXS var främst känt som ett verktyg för att utforska grundläggande fysik i material, och Yang, arbeta med teoretiker och andra, har hjälpt till att tillämpa tekniken på nya forskningsområden.

"Forskare försökte se inuti ett batterimaterial - inte bara på ytan, men också i stort sett - för att lära sig om dess syreatomer och metalltillstånd, "De flesta konventionella teknikerna saknar antingen sondens djup eller den kemiska känslighet som mRIXS kan erbjuda."

MRIXS kan användas för att skanna prover av batterielektroder för att mäta kemiska tillstånd för olika element vid en specifik punkt i batteriets laddnings- eller urladdningscykel. Det är effektivt för att mäta populära batterimaterial, såsom de som kallas "lägre övergångsmetalloxider" som kan vara lättare och mer kostnadseffektiva än vissa alternativ.

Det kan berätta för forskare om, och hur fullt ut, batterimaterial ökar och förlorar elektroner och joner - positivt eller negativt laddade atomer - på ett stabilt sätt, så att de kan lära sig hur snabbt och varför ett batteri försämras, till exempel.

Under batteriets drift, syreatomen i en batterielektrod kan reduceras (få elektroner) och oxideras (förlora elektroner), som är känd som en "syreredox" -reaktion. En sådan förändring av syretillstånd har visat sig hämma batteriets prestanda i studier av så kallade litiumrika elektroder, som potentiellt erbjuder mer litiumlagring och därmed högre kapacitet.

"Ändringar av syretillstånden kan göra batteriet osäkert och även utlösa andra sidreaktioner" om processen inte är reversibel, Sa Yang. "Strukturen kan också kollapsa."

Men reversibel syreredox som äger rum inuti elektroden är bra. MRIXS -tekniken kan upptäcka huruvida syreredoxtillstånden är reversibla, och kan också detektera metalltillstånd i elektroden.

Denna unika förmåga gör också mRIXS särskilt användbart för studier av högspänning, batterimaterial med hög kapacitet som har blivit ett växande fokus för batteri-FoU.

Tekniken fungerar genom att långsamt skanna med röntgenstrålar över ett prov som kemiskt bevarar en punkt i batteriets laddnings- eller urladdningscykel. En kartskanning tar nu cirka tre timmar att slutföra per prov-en sådan fullständig kartskanning skulle ta dagar innan det högeffektiva RIXS-systemet introducerades vid ALS.

"Det unika med systemet här handlar inte bara om datainsamlingstiden, men dess förmåga att titta på okonventionella kemiska tillstånd som vanligtvis inte är särskilt stabila under röntgenstrålar, "sa han. Förbättringen av detektionseffektivitet är viktig för att bevara provet innan skador orsakas av röntgenstrålarna. Detta är också en teknisk utmaning som kan hanteras av framtida ljuskällor med mycket förbättrad röntgenstyrka. , t.ex. ALS-uppgraderingsprojektet (ALS-U), och ALS -forskare arbetar nu med att ytterligare förbättra upptäcktseffektiviteten.

Tekniken har varit en integrerad del av flera batteristudier som publicerats under de senaste månaderna:

• En studie, publicerad i februari, fokuserat på syreredoxtillstånden i ett kommersiellt livskraftigt litiumbatterimaterial som innehåller litium, nickel, kobolt, mangan, och syre för en elektrod som kallas en katod.
• Syreredoxtillstånd i batterimaterial var också i fokus för andra studier i februari, inklusive ett fokuserat på ett natriumbatterimaterial som innehåller natrium, litium, mangan, och syre.
• Fler studier av litiumrika oxidelektroder har använt mRIXS för att lösa deras syrekemi:En studie i januari fokuserade på att minska det spänningsrelaterade batteriförfallet; och en annan studie i mars visade hur snabb laddning och urladdning av ett material med reversibel syrekemi är möjlig.
• En studie i november 2019 använde också mRIXS för att titta på svaveltillstånden, snarare än syre, i litiumrika sulfidbatterimaterial.

Yang sa att den ökande användningen av tekniken av batteriforsknings- och utvecklingssamhället är uppmuntrande, och forskare vid ALS arbetar med att bygga ut mer kapacitet för dessa experiment.

"Efterfrågan ökar extremt snabbt och ALS håller på att utveckla nya RIXS -system med ännu högre kapacitet på grund av denna demonstrerade kapacitet och ökande efterfrågan, "Sa Yang.

"Att få RIXS infört i forskning om energimaterial är en ny sak, "Tillade Yang." Om vi ​​efter 10 år erkänns som ALS som de människor som drivit en grundläggande fysikteknik för att studera batterier och andra energimaterial, det är det vi borde vara stolta över. "Det här är som ett nytt fält, och samhället var i stort behov av ett sådant verktyg. "