Elektronmikroskopi av en mangandioxid-nanotråd i tvärsnitt visar dess tunnlade atomstruktur, stabiliseras av kaliumjoner. Tunnlarna mäter ungefär tre fjärdedelar av en nanometer, eller 7,5 ångström, i diameter. Insatsen är en modell av tunneln sett nerför dess axel. Upphovsman:Reza Shahbazian-Yassar/UIC
Batteriforskare som söker förbättrade elektrodmaterial har fokuserat på "tunnlade" strukturer som gör det lättare för laddningsbärande joner att röra sig in och ut ur elektroden. Nu har ett team som leds av en forskare vid University of Illinois i Chicago använt ett speciellt elektronmikroskop med atomnivåupplösning för att visa att vissa stora joner kan hålla tunnlarna öppna så att de laddningsbärande jonerna lätt kan komma in och ut ur elektroden och snabbt.
Fyndet rapporteras i Naturkommunikation .
"Betydande forskning har gjorts för att öka energitätheten och effekttätheten för litiumjonbatterisystem, "säger Reza Shahbazian-Yassar, docent i maskin- och industriteknik vid UIC.
Den nuvarande generationen, han sa, är tillräckligt användbart för bärbara enheter, men den maximala energi och effekt som kan utvinnas är begränsande.
"Så för en elbil, vi måste öka batteriets energi och kraft - och sänka kostnaden också, " han sa.
Hans lag, som inkluderar arbetskamrater vid Argonne National Laboratory, Michigan Technological Institute och University of Bath i Storbritannien, har fokuserat på att utveckla en katod baserad på mangandioxid, ett mycket lågt och miljövänligt material med hög lagringskapacitet.
Mangandioxid har en gitterstruktur med tunnlar med jämna mellanrum som gör att laddningsbärare - som litiumjoner - kan röra sig in och ut fritt.
"Men för att tunnlarna ska överleva för långvarig funktion, de behöver stödstrukturer i atomskala, "Sa Shahbazian-Yassar." Vi kallar dem tunnelstabilisatorer, och de är generellt stora, positiva joner, som kalium eller barium. "
3D-schemat visar hur dopning med kalium kan underlätta införandet av litiumjoner i mangandioxid belagd på en strömkollektor. Upphovsman:Reza Shahbazian-Yassar/UIC
Men tunnelstabilisatorerna, vara positivt laddad som litiumjonerna, borde avvisa varandra.
"Om litium går in, kommer tunnelstabilisatorn att komma ut? "Shahbazian-Yassar ryckte på axlarna." Forskarsamhället var oenigt om tunnelstabilisatorernas roll under överföringen av litium till tunnlar. Hjälper det, eller ont? "
Den nya studien representerar den första användningen av elektronmikroskopi för att visualisera atomstrukturen i tunnlar i ett endimensionellt elektrodmaterial-vilket forskarna säger inte tidigare varit möjligt på grund av svårigheten att förbereda prover. Det tog dem två år att upprätta förfarandet för att leta efter tunnlar i kaliumdopade nanotrådar av mangandioxid ned till en atomnivå.
Yifei Yuan, en postdoktor som arbetar tillsammans vid Argonne National Laboratory och UIC och huvudförfattaren på studien, kunde sedan använda en kraftfull teknik som kallas aberrationskorrigerad skanningöverföringselektronmikroskopi för att avbilda tunnlarna med sub-ångström upplösning så att han tydligt kunde se inuti dem-och han såg att de förändras i närvaro av en stabilisatorjon.
"Det är ett direkt sätt att se tunnlarna, "Sa Yuan." Och vi såg att när du lägger till en tunnelstabilisator, tunnlarna expanderar, deras elektroniska strukturer förändras också, och sådana förändringar gör att litiumjonerna kan röra sig in och ut, runt stabilisatorn. "
Fyndet visar att tunnelstabilisatorer kan hjälpa till vid överföring av joner till tunnlar och laddnings- och urladdningshastigheten, Sa Shahbazian-Yassar. Närvaron av kaliumjoner i tunnlarna förbättrar den elektroniska konduktiviteten hos mangandioxid och litiumjonernas förmåga att snabbt diffundera in och ut ur nanotrådarna.
"Med kaliumjoner kvar i mitten av tunnlarna, kapacitetsretentionen förbättras med hälften under hög cykelström, vilket betyder att batteriet kan hålla på sin kapacitet under en längre tid, " han sa.
