Alla som äger en elektronisk enhet vet att litiumjonbatterier kan fungera bättre och hålla längre. Nu, forskare som undersöker batterimaterial på nanoskala avslöjar hur nickel bildar en fysisk barriär som hindrar förflyttning av litiumjoner i elektroden, minska hur snabbt materialet laddas och laddas ur. Publicerad förra veckan i Nano bokstäver , forskningen föreslår också ett sätt att förbättra materialen.

Forskarna, ledd av Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory's Chongmin Wang, skapat högupplösta 3D-bilder av elektrodmaterial gjorda av skiktade nanopartiklar av litium-nickel-manganoxid, kartlägga de enskilda elementen. Dessa kartor visade att nickel bildade klumpar på vissa platser i nanopartiklarna. En högre förstoringsvy visade att nickeln blockerar de kanaler genom vilka litiumjoner normalt rör sig när batterier laddas och laddas ur.

"Vi blev förvånade över att se nickeln selektivt segregera som det gjorde. När de rörliga litiumjonerna träffade det segregerade nickelrika skiktet, de stöter i huvudsak på en barriär som verkar sakta ner dem, "sa Wang, en materialvetare baserad på EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE -användaranläggning på PNNL:s campus. "Blocket bildas i tillverkningsprocessen, och vi vill hitta ett sätt att förhindra det. "

Litiumjoner är positivt laddade atomer som rör sig mellan negativa och positiva elektroder när ett batteri laddas eller används. De fångar eller släpper i huvudsak de negativt laddade elektronerna, vars rörelse genom en enhet som en bärbar dator bildar den elektriska strömmen.

I litium-manganoxidelektroder, mangan- och syreatomerna bildar rader som ett fält av majsstjälkar. I kanalerna mellan stjälkarna, litiumjoner zip mot elektroderna i vardera änden, riktningen beroende på om batteriet används eller laddas.

Forskare har länge vetat att tillsats av nickel förbättrar hur mycket energi elektroden kan hålla, batterikvaliteter som kallas kapacitet och spänning. Men forskare har inte förstått varför kapaciteten sjunker efter upprepad användning - en situation som konsumenter upplever när ett döende batteri håller sin laddning för allt mindre tid.

Att få reda på, Wang, materialvetare Meng Gu och deras medarbetare använde elektronmikroskopi vid EMSL och National Center for Electron Microscopy vid Lawrence Berkeley National Laboratory för att se hur de olika atomerna är ordnade i elektrodmaterialen som producerats av forskare från Argonne National Laboratory. Elektroderna baserades på nanopartiklar tillverkade med litium, nickel, och manganoxider.

Först, laget tog högupplösta bilder som tydligt visade rader med atomer åtskilda av kanaler fyllda med litiumjoner. På ytan, de såg ackumulering av nickel i ändarna av raderna, blockerar väsentligen litium från att flytta in och ut.

För att ta reda på hur ytskiktet fördelas på och inom hela nanopartikeln, laget använde en teknik som kallas tredimensionell kompositionskartläggning. Med en nanopartikel på cirka 200 nanometer i storlek, de tog 50 bilder av de enskilda elementen när de lutade nanopartikeln i olika vinklar. Teamet rekonstruerade en tredimensionell karta från de enskilda elementarkartorna, avslöjar fläckar av nickel på en bakgrund av litium-manganoxid.

Den tredimensionella distributionen av mangan, syre och litiumatomer längs ytan och inuti partikeln var relativt jämn. Nickeln, dock, parkerade sig i små ytor på ytan. Internt, nickeln klumpade sig på kanterna på mindre områden som kallas korn.

För att utforska varför nickelaggregat på vissa ytor, laget beräknade hur lätt nickel och litium färdades genom kanalerna. Nickel rörde sig lättare upp och ner i kanalerna än litium. Medan nickel normalt finns i manganoxidhornen, ibland glider det ut i kanalerna. Och när det gör det, denna analys visade att den flödar mycket lättare genom kanalerna till slutet av fältet, där det ackumuleras och bildar ett block.

Forskarna använde en mängd olika metoder för att göra nanopartiklarna. Wang sa att ju längre nanopartiklarna stannade vid hög temperatur under tillverkningen, ju mer nickelsegregerat och desto sämre partiklarna utfördes vid laddnings- och urladdningstester. De planerar att göra närmare kontrollerade experiment för att avgöra om en viss tillverkningsmetod ger en bättre elektrod.

Detta arbete stöddes av PNNLs Chemical Imaging Initiative.