(Phys.org) —Litiumjonbatterier är ett energiskt hjärta för nästan allt tekniskt, från mobiltelefoner till surfplattor till elfordon. Det är för att de är en beprövad teknik, ljus, långvarig och kraftfull. Men de är inte perfekta.

"Du kan få sju eller åtta timmar ur din iPhone på en laddning, kanske en dag, "säger Reza Shahbazian-Yassar, docent i maskinteknik vid Michigan Technological University. "Detta räcker inte för många av oss. En helt elektrisk bil, som Nissan Leaf, kan gå upp till 100 miles på en enda laddning. Att vädja till en massmarknad, det borde vara cirka 300 mil. Vi vill öka kraften i dessa system. "

För att vrida ut mer ström från litiumjonbatterier, forskare experimenterar med olika material och mönster. Dock, den viktiga åtgärden i ett batteri sker på atomnivå, och det har varit praktiskt taget omöjligt att ta reda på exakt vad som händer i en sådan skala. Nu, Yassar har utvecklat en enhet som gör det möjligt för forskare att avlyssna enskilda litiumjoner - och eventuellt utveckla nästa generations batterier.

Batterier är ganska enkla. De har tre huvudkomponenter:en anod, en katod och elektrolyt mellan de två. I litiumbatterier, litiumjoner rör sig fram och tillbaka mellan anoden och katoden när batteriet laddas ur och laddas upp igen. Anoderna för litiumjonbatterier är vanligtvis gjorda av grafit, men forskare testar andra material för att se om de kan hålla längre.

"Så snart litium rör sig in i en elektrod, det betonar materialet, så småningom resulterar i misslyckande, "sa Yassar." Därför kan många av dessa material kunna rymma mycket litium, men de går sönder snabbt.

"Om vi ​​kunde observera dessa förändringar i värdelektroden, särskilt i det mycket tidiga stadiet av laddning, vi kan komma med strategier för att lösa det problemet. "

Tio år sedan, att observera ljuselement som litium eller väte på atomnivå hade varit uteslutet. Nu, dock, det är möjligt att se ljusatomer med ett aberrationskorrigerat skanningstransmissionselektronmikroskop (AC-STEM). Yassars team kunde använda en med tillstånd av University of Illinois i Chicago, där han är gäst docent.

För att avgöra hur värdelektroden förändras när litiumjoner kommer in i den, laget byggde ett nanobatteri i AC-STEM-mikroskopet med hjälp av ett lovande nytt elektrodmaterial, tennoxid, eller SnO2. Sedan, de såg det ladda.

"Vi ville övervaka förändringarna i tennoxiden vid gränsen för litiumjonrörelser inom SnO2-elektroden, och det gjorde vi, "Sa Yassar." Vi kunde observera hur de enskilda litiumjonerna kommer in i elektroden. "

Litiumjonerna rörde sig längs specifika kanaler när de flödade in i tennoxidkristallerna istället för att slumpmässigt gå in i värdatomerna. Baserat på dessa uppgifter, forskarna kunde beräkna den belastning som jonerna lade på elektroderna.

Upptäckten har föranlett förfrågningar från industrier och nationella laboratorier som är intresserade av att använda hans atomupplösningskapacitet i sitt eget batteriutvecklingsarbete.

"Det är väldigt spännande, "Sa Yassar." Det finns så många alternativ för elektroder, och nu har vi det här nya verktyget som kan berätta exakt vad som händer med dem. Innan, vi kunde inte se vad som hände; vi gissade bara. "