(PhysOrg.com) - Nya bilder med hög upplösning av elektrodtrådar gjorda av material som används i laddningsbara litiumjonbatterier visar hur de förvrängs när de laddas med elektricitet. Den tunna, trådar i nanostorlek vrider sig och fettar när litiumjoner strömmar in under laddning, enligt en tidning i veckans nummer av tidskriften Vetenskap . Arbetet föreslår hur uppladdningsbara batterier så småningom ger ut och kan ge insikter för att bygga bättre batterier.

Batteriutvecklare vet att laddning och användning av litiumbatterier om och om igen skadar elektrodmaterialen, men dessa bilder i nanometerskala ger en verklig inblick i hur. Tunna trådar av tennoxid, som fungerar som den negativa elektroden, göta med en tredjedel och sträcka dubbelt så länge på grund av litiumjoner som kommer in. Dessutom, litiumjonerna ändrar tennoxiden från en prydligt arrangerad kristall till ett amorft glasartat material.

"Nanotrådar av tennoxid kunde motstå deformationerna i samband med elektriskt flöde bättre än tennoxid i bulk, som är en skör keramik, sade Chongmin Wang, en materialforskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. "Det påminner mig om att göra ett rep av stål - du lindar ihop tunnare trådar snarare än att göra ett tjockt rep."

I en av videorna, visas nedan, nanotråden ser ut som ett sugrör, medan litiumjonerna verkar som en dryck som sugs upp genom den. Upprepade formändringar kan skada elektrodmaterialen genom att introducera små defekter som ackumuleras med tiden.

Jagar elektroner

I tidigare arbete vid DOE:s Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus, Wang, PNNL-kemisten Wu Xu och andra kollegor lyckades ta en ögonblicksbild av en större nanotråd på cirka en mikrometer-eller en hundradel bredden på ett människohår-som delvis laddats. Men den experimentella uppsättningen visade inte laddning i aktion.

För att se dynamiken hos en elektrod som laddas, Wang och Xu samarbetade med Jianyu Huang på DOE:s Center for Integrated Nanotechnologies på Sandia National Laboratories i New Mexico och andra. Teamet använde ett speciellt utrustat transmissionselektronmikroskop för att sätta upp ett miniatyrbatteri. Detta instrument gjorde det möjligt för dem att avbilda mindre ledningar på cirka 200 nanometer i diameter (ungefär en femtedel av bredden på de tidigare nanotrådarna) medan de laddade.

Uppladdningsbara litiumjonbatterier fungerar eftersom litiumjoner älskar elektroner. Positivt laddade litiumjoner hänger normalt i den positiva elektroden, där en metalloxid delar sina elektroner med litium. Men att ladda ett batteri pumpar fria elektroner in i den negativa elektroden, som sitter över en sjö av elektrolyter genom vilken litiumjoner kan simma men elektroner inte. Litiumet vill ha elektronerna på den negativa sidan av sjön mer än de elektroner som den delar med metalloxiden på den positiva sidan. Så litiumjoner flödar från den positiva till den negativa elektroden, para ihop med fria elektroner där.

Men elektroner är skiftande. Genom att använda ett batteri i en enhet kan elektronerna glida ut ur den negativa elektroden, lämnar kvar litiumjonerna. Så utan fria elektronföljare, litiumjonerna återgår till den positiva elektroden och metalloxidens famn.

Wangs miniatyrbatteri inkluderade en positiv elektrod av litiumkoboltoxid och en negativ elektrod tillverkad av tunna nanotrådar av tennoxid. Mellan de två elektroderna, en elektrolyt gav en ledning för litiumjoner och en barriär för elektroner. Elektrolyten var speciellt utformad för att klara förhållandena i mikroskopet.

När teamet laddade miniatyrbatteriet vid en konstant spänning, litiumjoner sugs upp genom tennoxidtråden, dras av elektronerna vid den negativa elektroden. Tråden gödades och förlängdes med cirka 250 procent i total volym, och vred sig som en orm.

Dessutom, mikroskopin visade att tråden började i kristallin form. Men litiumjonerna förändrade tennoxiden till ett material som glas, där atomer är ordnade mer slumpmässigt än i en kristall. Forskarna drog slutsatsen att mängden deformation som inträffar under laddning och användning kan slita på batterimaterial efter ett tag. Ändå, tennoxiden verkade klara sig bättre som nanotråd än i sin större, bulkform.

"Vi tror att detta arbete kommer att stimulera nytänkande för energilagring i allmänhet, " sa Wang. "Detta är bara början, och vi hoppas att det med fortsatt arbete kommer att visa oss hur man designar ett bättre batteri. "

Framtida arbete kommer att innefatta att avbilda vad som händer när ett sådant miniatyrbatteri laddas och laddas ur upprepade gånger. När ett batteri används, litiumjonerna måste löpa tillbaka genom tennoxidtråden och över elektrolyten till den positiva elektroden. Hur mycket strukturella skador det vikande litium lämnar i sitt spår kommer att hjälpa forskare att förstå varför laddningsbara batterier slutar fungera efter att ha laddats så många gånger.

Forskarna skulle också vilja utveckla ett fullt fungerande laddningsbart batteri i nanostorlek.