(PhysOrg.com) -- Ett genombrott inom komponenter för nästa generations batterier kan komma från speciella material som förvandlar deras struktur för att prestera bättre över tiden.

Ett team av forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory, ledd av Argonne nanoforskaren Tijana Rajh och batteriexperten Christopher Johnson, upptäckte att nanorör som består av titandioxid kan byta fas när ett batteri cyklar, gradvis öka deras operativa kapacitet. Laboratorietester visade att nya batterier tillverkade med detta material kunde laddas upp till hälften av sin ursprungliga kapacitet på mindre än 30 sekunder.

Genom att byta ut konventionella grafitanoder för sådana som består av nanorör av titan, Rajh och hennes kollegor bevittnade ett överraskande fenomen. När batteriet cyklade genom flera laddningar och urladdningar, dess interna struktur började orientera sig på ett sätt som dramatiskt förbättrade batteriets prestanda.

"Vi förväntade oss inte att detta skulle hända när vi först började arbeta med materialet, men anoden antog spontant den bästa strukturen, ", sa Rajh. "Det finns en intern form av plasticitet i systemet som gör att det kan ändras när batteriet börjar cykla."

Enligt Argonne nanoforskaren Hui Xiong, som arbetade med Rajh för att utveckla det nya anodmaterialet, titandioxid verkade som om det skulle vara osannolikt att på ett adekvat sätt ersätta grafit. "Vi började med ett material som vi aldrig trodde skulle ha gett en funktionell användning, och det blev något som gav oss bästa möjliga resultat, " Hon sa.

En av de andra forskarna i Rajhs grupp, Sanja Tepavcevic, har antagit ett liknande tillvägagångssätt för att göra en självförbättrande struktur för ett natriumjon-nanobatteri.

"Detta är mycket ovanligt materiellt beteende, " tillade Jeff Chamberlain, en Argonne-kemist som leder laboratoriets stora initiativ för energilagring. "Vi ser några fasövergångar i nanoskala som är mycket intressanta ur vetenskaplig synvinkel, och det är den djupare förståelsen av dessa materials beteenden som kommer att låsa upp mysterier med material som används i system för lagring av elektrisk energi."

Anledningen till att titandioxid verkade vara en osannolik lösning för batteriutveckling ligger i materialets amorfa natur. Eftersom amorfa material inte har någon inre ordning, de saknar de speciella elektroniska egenskaperna hos högordnade kristallina material. Dock, amorfa material har inte varit kända för att genomgå sådana djupgående strukturella transformationer under cykling, enligt Rajh. De flesta av de kända batterimaterialen genomgår den motsatta övergången:de börjar som mycket kristallina och pulveriseras till ett amorft tillstånd vid cykling.

Att ha anoder sammansatta av titandioxid istället för grafit förbättrar också tillförlitligheten och säkerheten hos litiumjonbatterier. I vissa fall, litium kan arbeta sig ut ur lösningen och avsättas på grafitanoderna, orsakar en farlig kedjereaktion som kallas termisk runaway. "Varje typ av test vi har utfört på titananoder har visat att de är exceptionellt säkra, sa Chamberlain.

Argonne-upptäckten kom från samarbete mellan två av laboratoriets flaggskeppsanvändaranläggningar:Center for Nanoscale Materials och Advanced Photon Source. Genom att kombinera toppmoderna nanotillverkningstekniker med högintensiv röntgenstrålning för att karakterisera nanorören, Argonne-forskarna kunde snabbt observera detta ovanliga beteende.