Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har gjort de första 3D-observationerna av hur strukturen hos en litiumjonbatterianod utvecklas på nanoskala i en riktig battericell när den laddas ur och laddas. Detaljerna i denna forskning, beskrivs i en tidning publicerad i Angewandte Chemie , skulle kunna peka på nya sätt att konstruera batterimaterial för att öka kapaciteten och livslängden för uppladdningsbara batterier.

"Detta arbete erbjuder ett direkt sätt att titta in i den elektrokemiska reaktionen av batterier på nanoskala för att bättre förstå mekanismen för strukturell nedbrytning som uppstår under ett batteris laddnings-/urladdningscykler, " sa Brookhaven fysiker Jun Wang, som ledde forskningen. "Dessa fynd kan användas för att vägleda konstruktion och bearbetning av avancerade elektrodmaterial och förbättra teoretiska simuleringar med exakta 3D -parametrar."

Kemiska reaktioner där litiumjoner går från en negativt laddad elektrod till en positiv är det som transporterar elektrisk ström från ett litiumjonbatteri för att driva enheter som bärbara datorer och mobiltelefoner. När en extern ström appliceras, säg, genom att ansluta enheten till ett uttag - reaktionen går omvänt för att ladda batteriet.

Forskare har länge vetat att upprepad laddning/urladdning (litiering och delitiering) introducerar mikrostrukturella förändringar i elektrodmaterialet, särskilt i vissa högkapacitets kisel- och tennbaserade anodmaterial. Dessa mikrostrukturella förändringar minskar batteriets kapacitet - den energi som batteriet kan lagra - och dess livslängd - hur många gånger batteriet kan laddas om under dess livstid. Att i detalj förstå hur och när i processen skadan uppstår kan peka på sätt att undvika eller minimera den.

"Det har varit mycket utmanande att direkt visualisera mikrostrukturella evolution och förändringar av kemisk sammansättning i 3D inom elektroderna när en riktig battericell går igenom laddning och urladdning, " sa Wang.

Ett team ledd av Vanessa Wood från universitetet ETH Zürich, arbetar på Swiss Light Source, nyligen utfört in situ 3D-tomografi i mikrometerskala upplösning under battericellsladdning och urladdningscykler.

Att uppnå upplösning i nanoskala har varit det ultimata målet.

"För första gången, sa Wang, "Vi har fångat de mikrostrukturella detaljerna hos en batterianod i 3D med nanoskalaupplösning, med hjälp av en ny in-situ mikrobattericell som vi utvecklade för synkrotronröntgen-nanotomografi - ett ovärderligt verktyg för att nå detta mål." Detta framsteg ger en kraftfull ny källa till insikt om mikrostrukturell nedbrytning.

Bygga ett mikrobatteri

Att utveckla en fungerande mikrobattericell för röntgen-3D-avbildning i nanoskala var mycket utmanande. Vanliga myntcellsbatterier är inte tillräckligt små, plus att de blockerar röntgenstrålen när den roteras.

"Hela mikrocellen måste vara mindre än en millimeter stor men med alla batterikomponenter - elektroden studeras, en flytande elektrolyt, och motelektroden som stöds av relativt transparenta material för att möjliggöra överföring av röntgenstrålar, och ordentligt förseglad för att säkerställa att cellen kan fungera normalt och vara stabil för upprepad cykling, ", sa Wang. Tidningen förklarar i detalj hur Wangs team byggde en fullt fungerande battericell med alla tre batterikomponenterna i en kvartskapillär som mätte en millimeter i diameter.

Genom att placera cellen i vägen för högintensiva röntgenstrålar som genereras vid beamline X8C i Brookhaven National Synchrotron Light Source (NSLS), forskarna producerade mer än 1400 tvådimensionella röntgenbilder av anodmaterialet med en upplösning på cirka 30 nanometer. Dessa 2D-bilder rekonstruerades senare till 3D-bilder, ungefär som en medicinsk datortomografi men med klarhet i nanometerskala. Eftersom röntgenstrålar passerar genom materialet utan att förstöra det, forskarna kunde fånga och rekonstruera hur materialet förändrades över tiden när cellen laddades ur och laddades, cykel efter cykel.

Med denna metod, forskarna avslöjade att "allvarliga mikrostrukturella förändringar inträffar under den första delithieringen och efterföljande andra lithieringen, varefter partiklarna når strukturell jämvikt utan ytterligare signifikanta morfologiska förändringar."

Specifikt, partiklarna som utgör den tennbaserade anoden utvecklade betydande krökningar under de tidiga laddnings-/urladdningscyklerna, vilket ledde till hög spänning. "Vi föreslår att denna höga spänning ledde till brott och pulverisering av anodmaterialet under den första delithieringen, "Sade Wang. Ytterligare konkava drag efter den första delitieringen inducerade ytterligare strukturell instabilitet i den andra litieringen, men inga betydande förändringar utvecklades efter den tidpunkten.

"Efter dessa första två cykler, tennanoden visar en stabil urladdningskapacitet och reversibilitet, "Sa Wang.

"Våra resultat tyder på att de väsentliga mikrostrukturella förändringarna i elektroderna under den första elektrokemiska cykeln kallade formningen i energilagringsindustrin-är en kritisk faktor som påverkar hur ett batteri behåller mycket av sin nuvarande kapacitet efter att det bildats, ", sa hon. "Typiskt förlorar ett batteri en betydande del av sin kapacitet under denna första formningsprocess. Vår studie kommer att förbättra förståelsen för hur detta händer och hjälpa oss att utveckla bättre kontroller av formningsprocessen med målet att förbättra prestanda hos energilagringsenheter."

Wang påpekade att medan den aktuella studien specifikt tittade på ett batteri med tenn som anod, den elektrokemiska cellen som hennes team utvecklade och röntgen-nanotomografitekniken kan tillämpas på studier av andra anod- och katodmaterial. Den allmänna metoden för att övervaka strukturella förändringar i tre dimensioner när material fungerar lanserar också en möjlighet att övervaka kemiska tillstånd och fasomvandlingar i katalysatorer, andra typer av material för energilagring, och biologiska molekyler.

Överföringsröntgenmikroskopet som används för denna studie kommer snart att flytta till en fullfältröntgenbildning (FXI) strållinje vid NSLS-II, en synkrotronanläggning i världsklass som nu närmar sig färdigställandet vid Brookhaven Lab. Denna nya anläggning kommer att producera röntgenstrålar 10, 000 gånger ljusare än de på NSLS, möjliggör dynamiska studier av olika material när de utför sina speciella funktioner.