Forskare har utvecklat ett sätt att mikroskopiskt se batterielektroder medan de är badade i våta elektrolyter, efterlikna realistiska förhållanden inuti faktiska batterier. Medan forskare inom biovetenskap regelbundet använder transmissionselektronmikroskopi för att studera våta miljöer, denna gång har forskare framgångsrikt tillämpat det på forskning om laddningsbara batterier.

Resultaten, rapporterade i 11 december nummer av Nano bokstäver , är goda nyheter för forskare som studerar batterimaterial under torra förhållanden. Arbetet visade att många aspekter kan studeras under torra förhållanden, som är mycket lättare att använda. Dock, våta förhållanden behövs för att studera det svårt att hitta fasta elektrolytinterfasskiktet, en beläggning som ackumuleras på elektrodens yta och dramatiskt påverkar batteriets prestanda.

"Vätskecellen gav oss global information om hur elektroderna beter sig i en batterimiljö, "sa materialvetaren Chongmin Wang från Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory." Och det hjälper oss att hitta det fasta elektrolytskiktet. Det har varit svårt att direkt visualisera tillräckligt detaljerat. "

Ebb, Flöde, Svälla

Även om el verkar osynlig, förvaring och användning i batterier har mycket fysiska effekter. Laddning av ett batteri stoppar elektroner i den negativa elektroden, där positivt laddade litiumjoner (eller en annan metalljon som natrium) rusar in för att mötas och hålla fast vid elektronerna. Dessa joner måste passa in i porerna i elektroden.

Att driva en enhet med ett batteri får elektronerna att strömma ut ur elektroden. De positiva jonerna, kvar, strömma genom batteriets kropp och återgå till den positiva elektroden, där de väntar på ännu en laddning.

Wang och kollegor har använt kraftfulla mikroskop för att se hur ebning och flöde av positivt laddade joner deformerar elektroder. Klämning i elektrodens porer får elektroderna att svälla, och upprepad användning kan slita dem. Till exempel, senaste arbete som finansierats genom Joint Center for Energy Storage Research - ett DOE Energy Innovation Hub som inrättats för att påskynda batteriutvecklingen - visade att natriumjoner lämnar bubblor bakom sig, kan störa batterifunktionen.

Men fram till denna punkt, transmissionselektronmikroskop har bara kunnat rymma torra battericeller, som forskare kallar öppna celler. I ett riktigt batteri, elektroderna badas i flytande elektrolyter som ger en miljö som joner lätt kan röra sig igenom.

Så, arbeta med JCESR -kollegor, Wang ledde utvecklingen av en våt battericell i ett transmissionselektronmikroskop vid EMSL, DOE:s miljömolekylära vetenskapslaboratorium på PNNL -campus. Teamet byggde ett så litet batteri att flera kunde passa på en krona. Batteriet hade en kiselelektrod och en litiummetallelektrod, båda finns i ett elektrolytbad.

Mystery Layer

När teamet laddade batteriet, de såg kiselelektroden svälla, som förväntat. Dock, under torra förhållanden, elektroden är fäst i ena änden till litiumkällan - och svullnad börjar i bara ena änden när jonerna tränger in, skapa en spets. I denna studiens flytande cell, litium kan komma in i kislet var som helst längs elektrodens längd. Teamet såg på när elektroden svullnade längs hela dess längd samtidigt.

"Elektroden blev fetare och fetare jämnt. Så här skulle det hända inuti ett batteri, sa Wang.

Den totala mängden som elektroden svällde upp var ungefär densamma, fastän, om forskarna inrättade en torr eller våt battericell. Det tyder på att forskare kan använda båda villkoren för att studera vissa aspekter av batterimaterial.

"Vi har studerat batterimaterial med det torra, öppen cell de senaste fem åren, "sa Wang." Vi är glada att upptäcka att den öppna cellen ger korrekt information om hur elektroder beter sig kemiskt. Det är mycket lättare att göra, så vi kommer att fortsätta använda dem. "

När det gäller det svårfångade fasta elektrolytgränssnittet, Wang sa att de inte kunde se det i detta första experiment. I framtida experiment, de kommer att försöka minska tjockleken på det våta lagret med minst hälften för att öka upplösningen, vilket kan ge tillräckligt med detaljer för att observera det fasta elektrolytinterfasskiktet.

"Skiktet uppfattas ha särdrag och påverka laddning och urladdning av batteriet, "sa Wang." Men forskare har ingen kortfattad förståelse eller kunskap om hur det bildas, dess struktur, eller dess kemi. Också, hur det förändras med upprepad laddning och urladdning är fortfarande oklart. Det är väldigt mystiska grejer. Vi förväntar oss att vätskecellen kommer att hjälpa oss att avslöja detta mystiska lager. "