Att undersöka batterimaterial på nanoskala avslöjar hur nickel bildar en fysisk barriär som tycks hindra överföringen av litiumjoner i batteriets elektrod, minska hur snabbt materialet laddas och laddas ut, enligt forskning ledd av DOE:s Pacific Northwest National Laboratory. Nickel är en viktig komponent i katodföreningar för litiumjonbatterier. Publicerad i Nanobokstäver , forskningen föreslår också ett sätt att förbättra materialen.

Forskarna, ledd av Dr 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 ställen 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 nickel segregera selektivt som det gjorde. När de rörliga litiumjonerna träffade det segregerade nickelrika lagret, de stöter i huvudsak på en barriär som verkar bromsa dem, " sade Wang. "Blocket bildas i tillverkningsprocessen, och vi skulle vilja 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 glider mot elektroderna i vardera änden, riktningen beroende på om batteriet används eller laddas.

Forskare har länge vetat att tillsats av nickel förbättrar ett batteris kapacitet. Men forskare har inte förstått varför kapaciteten sjunker efter upprepad användning - en situation som konsumenter upplever när ett döende batteri håller på sin laddning under allt kortare tid.

Att få reda på, laget använde elektronmikroskopi vid EMSL och National Center for Electron Microscopy för att se hur olika atomer är arrangerade i elektrodmaterialen som produceras av Argonne National Laboratory forskare. Elektroderna var baserade på nanopartiklar gjorda med litium, nickel, och manganoxider.

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

För att ta reda på hur ytskiktet är fördelat på och inom hela nanopartikeln, laget använde en teknik som kallas tredimensionell kompositionskartläggning. Med hjälp av en nanopartikel som är cirka 200 nanometer stor, 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 nickel ansamlas på vissa ytor, teamet 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 manganoxidens korn, ibland glider det ut i kanalerna. Och när det gör det, denna analys visade att det flyter mycket lättare genom kanalerna till slutet av fältet, där det ackumuleras och bildar ett block.

Med denna studie, stöds av PNNLs Chemical Imaging Initiative, avslutad, teamet arbetar nu med mer noggrant kontrollerade experiment för att avgöra om en viss tillverkningsmetod ger en bättre elektrod.