Den senaste generationen litiumjonbatterier som nu är under utveckling lovar en revolution när det gäller att driva mobiltelefoner, elfordon, bärbara datorer och otaliga andra enheter. Med alla fasta, icke brandfarliga komponenter, är de nya batterierna lättare, håller laddningen längre, laddas snabbare och är säkrare att använda än konventionella litiumjonbatterier, som innehåller en gel som kan fatta eld.

Men, precis som alla batterier, har solid-state litiumjonbatterier en nackdel:På grund av elektrokemiska interaktioner kan impedans - AC-analogen av DC elektriskt motstånd - byggas upp i batterierna, vilket begränsar flödet av elektrisk ström. Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har nu hittat platsen där det mesta av denna uppbyggnad sker. På så sätt har teamet föreslagit en enkel omdesign som dramatiskt kan begränsa uppbyggnaden av impedans, vilket gör att batterierna kan fylla sin roll som nästa generations strömkälla.

Ett litiumjonbatteri består av två arkliknande poler, anoden (negativ pol) och katoden (positiv pol), åtskilda av ett jonledande medium som kallas elektrolyten. (Elektrolyten är en gel i fallet med vanliga litiumjonbatterier, en fast substans i solid state-versionen.) Under urladdning strömmar litiumjoner från anoden genom elektrolyten till katoden, vilket tvingar elektronerna att röra sig runt en yttre krets och generera den elektriska ström som driver enheter.

Impedans uppstår typiskt vid gränsytan mellan någon av de två elektroderna och elektrolyten. Men att hitta den exakta platsen kräver kunskap om både fördelningen av litiumjoner och skillnaden i spänning vid varje gränssnitt.

Tidigare studier av andra team kunde inte definitivt lokalisera problemområdet eftersom verktyget de använde hade en genomsnittlig impedans över hela batteriet istället för att mäta det på enskilda platser i enheten. NIST-teamet, som inkluderar medarbetare från Sandia National Laboratory i Livermore, Kalifornien, Naval Research Laboratory i Washington, D.C. och flera universitet, använde två kompletterande metoder för att studera impedans på nanoskala i ett solid-state litiumjonbatteri.

En metod, Kelvin-sondkraftsmikroskopi, använder den skarpa spetsen på ett atomkraftmikroskop som svävar över de olika lagren i ett öppet batteri för att avbilda spänningsfördelningen på varje yta. Sonden avslöjade att det största spänningsfallet i batteriet inträffade vid gränssnittet mellan elektrolyt och anod, vilket indikerar att detta var ett område med hög impedans. (Om hela batteriet hade låg impedans, skulle det interna spänningsfallet variera gradvis och jämnt från plats till plats inuti cellen.)

Den andra metoden, neutrondjupprofilering, använder en stråle av lågenergineutroner som genereras vid NIST Center for Neutron Research för att undersöka nanoskalafördelningen och koncentrationen av litium. Eftersom neutrondjupprofilering inte skadar batteriet kunde forskarna använda tekniken medan batteriet var igång.

När lågenergineutroner från strålen absorberades av litium i batteriet producerade de energiskt laddade partiklar, alfa (4He) och tritium (3H). Antalet laddade partiklar som genereras och energin som de behåller efter att ha passerat genom batteriets lager indikerar koncentrationen av litiumjoner på olika platser i batteriet.

Mätningarna avslöjade att huvudplatsen där litiumjonerna hade hopats, vilket minskade flödet av elektrisk ström, inträffade vid gränsen mellan elektrolyten och anoden - samma plats där Kelvin-sondkraftsmikroskopin hade upptäckt det största spänningsfallet.

Sammantaget visade resultaten från Kelvin-sondkraftsmikroskopi och neutrondjupprofileringstekniker otvetydigt att det mesta av impedansen uppstår vid elektrolyt/anodgränssnittet, säger teammedlemmen Evgheni Strelcov från NIST och University of Maryland NanoCenter i College Park.

Strelcov och andra forskare, inklusive Jamie Weaver, Joseph Dura, Andrei Kolmakov och Nikolai Zhitenev från NIST och deras medarbetare, rapporterade sina resultat online den 19 oktober i tidskriften ACS Energy Letters .

"Detta arbete visar att neutrondjupprofilering, i kombination med Kelvin-sondkraftsmikroskopi och teoretisk modellering, fortsätter att främja vår förståelse av litiumjonbatteriers inre funktion", säger Weaver.

När forskarna analyserade sina resultat drog forskarna slutsatsen att impedansen de hittade vid gränssnittet kunde reduceras avsevärt om lager av annat material lades till mellan anoden och elektrolyten. Att lägga till mellanliggande lager som ordentligt fäster vid varandra skulle förhindra elektrolyten och anoden från att interagera med varandra direkt. Det är en fördel eftersom när en elektrolyt och anoden är i direkt kontakt bildar de ibland ett tunt lager av material som hindrar transporten av jonerna.

"Vi vill konstruera gränssnitten så att de har hög jon- och elektronledningsförmåga," sa Strelcov.