(PhysOrg.com) -- När man syntetiserar specialiserade material för energipackade batterier, problemet är mallen. Mönstret för självmontering av de mycket önskade nanometerstora sfärerna faller isär, producerar oregelbundna metalloxidklumpar. Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory bestämde hur man skulle hålla mallen intakt. Svaret är så enkelt som att tillsätta salt till processen.

Elfordon och landets elnät skulle båda dra nytta av energitäta, långvariga batterier. Elfordon kan färdas längre mellan laddningarna. Elnätet skulle kunna utnyttja lagrad vind- och solenergi. Sådana batterier kräver nya material med specifika egenskaper i nanostorlek. Tyvärr, att designa dessa material har varit en process av försök och misstag. Forskare skulle föredra att designa mallar, blanda ihop reaktanter, och låt materialen montera sig själva. Problemet är att mallarna inte håller. Med svaren från denna studie, forskare kan tillverka identiska partiklar som sedan sätts ihop till batterielektroder.

"Denna forskning ger grundläggande svar som behövs för att producera högkvalitativa, väldefinierade material som kommer att fungera som elektroder i litiumjonbatterier och nästa generations litium-luftbatterier, " sa Dr Maria Sushko, en PNNL materialforskare som arbetade på studien med Dr Jun Liu.

Utifrån experimentell forskning, PNNL-forskarna genomförde teoretisk analys av mallstabilitet för självmontering av titandioxid och andra nanopartiklar av metalloxid. Analysen var en klassisk densitetsfunktionsteori, eller cDFT, studie.

Teamet undersökte mallen, som består av två delar. Först, basen är ett lager av väldefinierade, ledande grafen. Den andra delen är ett ytaktivt ämne. Det ytaktiva medlet är en molekyl som definieras av dess "huvud" och "svans" kemi. Molekylens huvud är hydrofobt eller "vattenrädsla" och fäster vid grafenet. Svansen är hydrofil och interagerar med lösningen som innehåller ingredienserna för att bilda de önskade metalloxidpartiklarna. Det ytaktiva ämnet bildar små högar på grafenet som fungerar som mall för nanopartikelbildningen.

"Men om inte de ytaktiva medlen bildar en stabil struktur, hela det du bygger faller isär, sa Sushko.

Forskarna upptäckte att nyckeln till mallstabilitet var att introducera ett salt, specifikt dubbelladdade katjoner och enkelladdade anjoner, i blandningen. Sedan, teamet använde detta resultat för att förutsäga hur titandioxidnanopartiklar växer på mallen. De fann att partiklarna växer mellan dopparna i de hemicylindriska mallarna. Dock, om partiklarna växer ur sprickorna, mallen ändras från högar till en slät, gräsliknande yta. Sedan, partiklarna växer inkonsekvent, smälter samman till större kluster.

"Om vi ​​använder resultaten av denna artikel [publicerad i Journal of Physical Chemistry B ], vi kan odla nanopartiklar i det instängda materialet för att skapa större, likformiga nanopartiklar av metalloxider, såsom titandioxid, vilket är mycket viktigt för att skapa de material du behöver för elektroder för batterier, sa Sushko.

Vad händer härnäst:Teamet arbetar på en experimentbaserad studie för att utveckla en grundlig förståelse för självmontering och kärnbildningsprocesser involverade i att konstruera nanokompositmaterial. Denna kommande studie och andra liknande den behövs för att reda ut mysterierna med självmontering och tillåta forskare att kontrollera materialsyntes.