(Phys.org) —Högteknologiska "smarta fönster, "som mörknar för att filtrera bort solljus som svar på elektrisk ström, fungerar ungefär som batterier. Nu, Röntgenstudier vid SLAC ger en kristallklar bild av hur det färgskiftande materialet i dessa fönster beter sig i ett fungerande batteri – information som kan vara till nytta för nästa generations uppladdningsbara batterier.

Forskare installerade ultratunna ark av smart-fönstermaterial, nickeloxid, som anoden i ett litiumjonbatteri, och använde SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och utrustning vid andra labb för att studera dess föränderliga kemi och 3D-funktioner.

"Vi ändrade vår uppmärksamhet från att ändra färgen på dessa material till att använda dem för att lagra litiumjoner, men principen är densamma, " sa Feng Lin från Lawrence Berkeley National Laboratory, huvudförfattare till studien, publiceras i Naturkommunikation .

Smarta fönster har flera lager av glas som lägger in ultratunna filmer eller nanokristallbeläggningar av material, såsom nickeloxid. När ett litet elektriskt fält appliceras, laddningen rör sig genom glaset till det ultratunna materialet, som fungerar som en elektrod, och fönstret vänder från klart till mörkt.

Tidigare studier fann att interaktionen av dessa specialiserade tunna material med det omgivande glaset orsakar strukturella förändringar som underlättar flödet av elektrisk laddning genom glaset – en egenskap som också är fördelaktig för batterier.

I den här studien, som använder nickeloxid som batterielektrod, forskare kunde för första gången se exakt vad som händer när batteriets litiumjoner kommer i kontakt med nickeloxidskiktet och hur den resulterande reaktionen sprider sig från flera olika punkter.

"Det börjar som ett frö, " sa Tsu-Chien Weng, en SSRL-anställd forskare som samarbetade i forskningen. "Sedan finns det flera olika fronter för reaktionen, och så småningom bildas ett metalliskt ramverk."

Dessutom, forskare observerade hur ytan på nickeloxidmaterialet "andas" när batteriet laddas och laddas ur.

"Vi hittade det här lagret växande på ytan, bygga ut, sa Dennis Nordlund, en stabsforskare vid SSRL som deltog i forskningen. "Då försvinner lagret. Det försvinner nästan helt. Det är som ett andningslager. Det är inte nödvändigtvis specifikt för nickeloxid, och det har breda konsekvenser för batterimaterial."

Denna cykliska uppbyggnad av avlagringar från elektrolyten, brukar kallas elektrod-elektrolytgränssnittet, är en integrerad del av de flesta batterimaterial men har varit "lite av ett mysterium, sa Nordlund, eftersom det generellt är utmanande att studera under ett batteris drift.

I ett typiskt litiumjonbatteri, laddade litiumjoner migrerar genom en kemisk lösning – elektrolyten – in i anoden när batteriet laddas och in i den motsatta elektroden, kallas katoden, när batteriet laddas ur.

Eftersom andningsskiktet som observeras på nickeloxidmaterialet byggs upp men sedan försvinner, det kan potentiellt begränsa tillväxten av "dendriter, "Träliknande fingrar av litium som är kända för att bildas på andra typer av batterimaterial och försämrar batteriets prestanda.

"Om du kan cykla och bli av med lagret så att det inte byggs upp med tiden skulle det vara ett stort steg framåt, sa Nordlund.

Forskare använde en teknik som kallas röntgenabsorptionsspektroskopi vid SSRL för att undersöka nickeloxidmaterialet på djup av cirka 5 och 50 nanometer, eller miljarddels meter, under batteriets drift.

"Det visar sig att dessa olika sonderingsdjup är perfekt lämpade för att studera den elektroniska strukturen på ytan av batterimaterial, sa Nordlund, tillägger att dessa funktioner på SSRL öppnar ett fönster för att utforska många material i aktiva tillstånd. "Vi känner oss verkligen unikt positionerade för att ta itu med många olika problem inom energivetenskap med samma metod."

De utforskande röntgenverktygen vid SLAC och andra samverkande labb har varit nyckeln till att förstå egenskaperna hos nickeloxidmaterialet på nanoskala, sa Ryan Richards, en kemiprofessor vid Colorado School of Mines som var involverad i studien.

"Vi har lämnat in ett antal förslag för att titta på olika typer av material – hur de bildas och vilka egenskaper deras ytor har, " sa Richards. Han sa att hans pågående samarbete med SSRL-personalen "verkligen blommar ut i en trevlig relation."

SSRL-resultaten kombinerades med andra resultat från medarbetare, inklusive detaljerade 3D-bilder och filmer producerade på Brookhaven National Laboratory. Huolin Xin från Brookhaven Lab samlade forskargruppen, som också inkluderade forskare från National Renewable Energy Laboratory och Monash University i Australien.