(PhysOrg.com) -- När industrier och konsumenter alltmer söker förbättrade batteriströmkällor, banbrytande mikroskopi utförd vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory ger ett aldrig tidigare skådat perspektiv på hur litiumjonbatterier fungerar.

En forskargrupp ledd av ORNL:s Nina Balke, Stephen Jesse och Sergei Kalinin har utvecklat en ny typ av skanningsmikroskopi som kallas elektrokemisk stammikroskopi (ESM) för att undersöka litiumjoners rörelse genom ett batteris katodmaterial. Forskningen, "Nanoskala kartläggning av jondiffusion i en litiumjonbatterikatod" (Balke et al.), publiceras i Naturnanoteknik .

"Vi kan ge en detaljerad bild av jonisk rörelse i nanometervolymer, som överskrider toppmodern elektrokemisk teknik med sex till sju storleksordningar, " sa Kalinin. Forskare uppnådde resultaten genom att applicera spänning med en ESM-sond på ytan av batteriets skiktade katod. Genom att mäta motsvarande elektrokemiska belastning, eller volymändring, laget kunde visualisera hur litiumjoner flödade genom materialet. Konventionella elektrokemiska tekniker, som analyserar elektrisk ström istället för töjning, fungerar inte på nanoskala eftersom de elektrokemiska strömmarna är för små för att mäta, Kalinin förklarade.

"Detta är de första mätningarna, så vitt vi vet, av litiumjonflöde vid denna rumsliga upplösning, sa Kalinin.

Litiumjonbatterier, som driver elektroniska enheter från mobiltelefoner till elbilar, värderas för sin låga vikt, hög energitäthet och laddningsförmåga. Forskare hoppas kunna utöka batteriernas prestanda genom att ge ingenjörer en finjusterad kunskap om batterikomponenter och dynamik.

"Vi vill förstå - ur ett nanoskala -perspektiv - vad som får ett batteri att fungera och ett batteri misslyckas. Detta kan göras genom att undersöka dess funktionalitet i nivå med ett enda korn eller en utökad defekt, Sa Balke.

Teamets ESM-avbildning kan visa funktioner som individuella korn, kornkluster och defekter i katodmaterialet. Den högupplösta kartläggningen visade, till exempel, att litiumjonflödet kan koncentreras längs korngränserna, vilket kan leda till sprickbildning och batterifel. Forskare säger att dessa typer av nanoskala fenomen måste undersökas och korreleras med den övergripande batterifunktionen.

"Mycket små förändringar på nanometernivå kan ha en enorm inverkan på enhetsnivå, ", sa Balke. "Att förstå batterierna i den här längdskalan kan hjälpa till att ge förslag på materialteknik."

Även om forskningen fokuserade på litiumjonbatterier, teamet förväntar sig att dess teknik kan användas för att mäta andra elektrokemiska fasta tillståndssystem, inklusive andra batterityper, bränsleceller och liknande elektroniska enheter som använder jonrörelse i nanoskala för informationslagring.

"Vi ser den här metoden som ett exempel på de typer av högre dimensionella skanningstekniker som vi utvecklar vid CNMS som gör att vi kan se de inre funktionerna av komplexa material på nanoskala, "Jesse sa." Sådana förmågor är särskilt relevanta för det allt viktigare området för energiforskning. "