(Phys.org)—Börjar som några atomer långa, taggar som bildas på elektrodens yta i ett specialiserat litiumbatteri gör att batteriet gradvis bleknar, enligt forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och Argonne National Laboratory. Arbetar med kraftfull bildteknik i DOE:s Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), teamet fastställde att en sorts tagg med den kristallografiska spinellstrukturen växer ut ur elektrodmaterialet och så småningom leder till en fullständig omvandling av hela elektrodmaterialet till spinellstrukturen. Vidare, tillväxt av denna spinellstruktur frigör litiumoxidmolekyler, orsakar sprickbildning och gropbildning. Den skadade elektroden bleknar därmed, frigör mindre energi med varje laddning/urladdningscykel.

"Ändringarna i strukturen är ganska subtila efter varje cyklisk laddning/urladdning av batteriet, " sa Dr Chongmin Wang, en PNNL-forskare som ledde studien. "Atomografi på atomnivå ger möjlighet att få en grundläggande bild av hur denna typ av subtila förändringar utvecklas."

Att öka vår nations oberoende från fossila bränslen för vår transportflotta kräver energilagring. En litiumrik skiktad komposit kan öka batteriernas energitäthet med mer än 50 procent. Dock, batteriet bleknar. Vid upprepad användning, spänningen och mängden energi som kan lagras och frigöras reversibelt minskar gradvis. Orsaken är en förändring eller transformation i kompositen, men hur och var transformationerna eller fasövergångarna sker var under debatt. Genom att ta och analysera bilder med atomupplösning av batteriets elektrod före och efter användning, teamet svarade på frågorna.

"Dessa resultat och uppföljningsstudierna är avgörande för ansökningar, inklusive energilagring och elfordon, " sa Dr Jun Liu, en nyckelspelare i Joint Center for Energy Storage Research och en PNNL-materialforskare i studien.

Teamet började med skiktade litiumbatterielektroder, där lagren bara är en enda atom tjocka. Materialet syntetiserades i Argonne, där den uppfanns för flera år sedan. Forskargruppen använde en ny energidispersiv spektrometer (EDS) och ett kraftfullt sveptransmissionselektronmikroskop för att få detaljerad information om kemisk sammansättning och atomstruktur på elektrodmaterialen. FEI Company, i Hillsboro, Oregon, levererade EDS. Företaget letade efter enastående exempel för att visa upp kraften i sina instrument. Med hjälp av EDS-spektrometern, teamet identifierade kemisk inhomogenitet och dess korrelation med de fasförändringar som inträffade i materialet.

Teamet använde ett nytt elektronmikroskop i EMSL för att få bilder med atomupplösning. "Det högupplösta arbetet är banbrytande bildforskning, " sa Dr Nigel Browning, Chefsforskare i mikroskopi för Chemical Imaging Initiative vid PNNL och forskare i denna studie. "Det är en fantastisk tillämpning av tekniker för atomupplösningsmikroskopi, och det bekräftar att spinellbildning kan förklara ursprunget till spänningsfading genom att bestämma spinellens exakta placering, och hur hela strukturen splittras när spinellerna bildas."

Många av personerna i detta projekt arbetar med att hitta nya sätt att syntetisera och stabilisera materialen i det skiktade litiumbatteriet. "Vi arbetar som ett team för att ta det till nästa nivå - in situ-bilder. Vi vill se förändringarna på atomnivå när de inträffar, " sa Wang.