Laddningsbara elfordon är ett av de största verktygen mot ökande föroreningar och koldioxidutsläpp, och deras utbredda användning beror på batteriets prestanda. Forskare som specialiserat sig på nanoteknik fortsätter att leta efter det perfekta molekylära receptet på ett batteri som sänker priset, ökar hållbarheten, och erbjuder fler mil på varje laddning.

En särskild familj av litiumjonbatterier bestående av nickel, kobolt, och aluminium (NCA) erbjuder tillräckligt hög energitäthet-ett mått på den lagrade elen i batteriet-att den fungerar bra i storskaliga och långdistansfordon, inklusive elbilar och kommersiella flygplan. Det finns, dock, en betydande fångst:Dessa batterier försämras för varje laddnings- och urladdningscykel.

När batteriet cyklar, litiumjoner pendlar fram och tillbaka mellan katod och anod och lämnar efter sig spår av nanoskala skador. Avgörande, den höga värmen i fordonsmiljöer kan intensifiera dessa spåriga nedbrytningsspår och till och med orsaka fullständigt batterifel.

"Förhållandet mellan strukturella förändringar och den katastrofala termiska flykten påverkar både säkerhet och prestanda, "sa fysikern Xiao-Qing Yang från det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory." Den fördjupade förståelsen av det förhållandet hjälper oss att utveckla nya material och främja detta NCA-material för att förhindra den farliga nedbrytningen. "

För att få ett holistiskt porträtt av NCA -batteriets elektrokemiska reaktioner, forskare vid Brookhaven Labs kemiavdelning och Center for Functional Nanomaterials (CFN) genomförde en serie om tre studier, var och en fördjupar sig djupare i de molekylära förändringarna. Arbetet sträckte sig över röntgenbaserad utforskning av genomsnittliga materialmorfologier till överraskande asymmetrier i atomskala som avslöjades genom elektronmikroskopi.

"Efter varje cykel av laddning/urladdning-eller till och med stegvisa steg i endera riktningen-såg vi atomstrukturen övergå från enhetliga kristallina skikt till en störd bergsaltkonfiguration, "sade forskaren Eric Stach i Brookhaven Lab, som leder CFN:s elektronmikroskopigrupp. "Under denna omvandling, syre lämnar den destabiliserade batteriföreningen. Detta överflödiga syre, läckt ut i snabbare och snabbare takt över tiden, bidrar faktiskt till risken för fel och fungerar som bränsle för en potentiell brand. "

Dessa nya och grundläggande insikter kan hjälpa ingenjörer att utveckla överlägsna batterikemikalier eller nanoskala arkitekturer som blockerar denna nedbrytning.

Studie 1:Röntgenbilder av värmedriven sönderdelning

Den första studien, publicerad i Materialkemi , undersökte NCA-batteriet med hjälp av kombinerade röntgendiffraktions- och spektroskopitekniker där strålar av högfrekventa fotoner bombarderar och studsar av ett material för att avslöja elementär struktur och sammansättning. Dessa röntgenstudier utfördes vid Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS).

"Vi kunde testa batteriets cykling in situ, vilket betyder att vi skulle kunna se effekterna av att öka värmen i realtid, "sa Brookhaven Labs kemist och studiemedförfattare Seong Min Bak." Vi pressade det fulladdade NCA-myntcellsbatteriet ur termisk jämvikt genom att värma det hela vägen till 500 grader Celsius. "

När temperaturen steg, röntgenstrålar träffade provet och avslöjade den utbredda övergången från en kristallstruktur till en annan. Teamet mätte också mängden syre och koldioxid som frigörs från NCA -provet - en viktig indikator på potentiell brandfarlighet.

"Syrefrisättningen nådde en topp mellan 300 och 400 grader Celsius under våra försök, som ligger över arbetstemperaturen för de flesta fordon, "Sa Bak." Men den temperaturgränsen sjönk för ett högladdat batteri, suggesting that operating at full energy capacity accelerates structural degradation and vulnerability."

While they further confirmed the results with x-ray absorption spectroscopy and electron microscopy after the heating trials, the team needed to map the changes at higher resolutions.

Study 2:Charge-induced transformations

The next study, also published in Materialkemi , used transmission electron microscopy (TEM) to pinpoint the effect of an initial charge on the battery's surface structure. The highly focused electron beams available at CFN revealed individual atom positions as an applied current pushed pristine batteries to an overcharged state.

"The surface changes matched the rock-salt evolution found in the x-ray study, " said study coauthor Sooyeon Hwang of the Korea Institute of Science and Technology (KIST). "Even with just one charge on the NCA battery we saw changes in the crystalline structure, and it grew much worse as the charge level increased."

To capture the atoms' electronic structures, the scientists used electron energy loss spectroscopy (EELS). I denna teknik, measurements of the energy lost by a well-defined electron beam reveal local charge densities and elemental configurations.

"We found a decrease in nickel and an increase in the electron density of oxygen, " Hwang said. "This causes a charge imbalance that forces oxygen to break away and leave holes in the NCA surface, permanently damaging the battery's capacity and performance."

While this combined crystallographic and electronic data confirmed and clarified the earlier work, temperature effects still needed to be explored with atomic precision.

Study 3:Thermal decay and real-time electron microscopy

The final study, publicerad i Tillämpade material och gränssnitt , used in situ electron microscopy to track the heat-driven decomposition of NCA materials at different states of charge. The atomic-scale structural investigation under variable temperatures and charge levels offered the most comprehensive portrait yet.

The collaboration found that even though pristine and uncharged NCA samples remained stable up to 400 degrees Celsius, charging introduced the usual decomposition and vulnerabilities. The full story, dock, was much more nuanced.

"We saw the same overall degradation patterns, but the real-time TEM revealed an unexpected twist within individual particles, " Stach said. "When fully charged, some particles released oxygen and began to shift toward disorder down at temperatures below 100 degrees Celsius—definitely plausible for a lithium-ion battery's normal operation."

Added Hwang, "Those unstable, degraded particles may trigger the chain reaction of so-called thermal runaway at lower temperatures than expected, and that free oxygen would feed the fire springing from an overheated battery."

The future of batteries

The corroborating data in the three studies points to flaws in the chemistry and architecture of NCA batteries—including the surprising atomic asymmetries—and suggests new ways to enhance durability, including the use of nanoscale coatings that reinforce stable structures.

"We plan to push these investigative techniques even further to track the battery's structure in real-time as it charges and discharges under real operating conditions—we call this in operando, " Stach said. "Brookhaven's National Synchrotron Light Source II will be a game-changer for this kind of experimentation, and I'm eager to take advantage of that facility's ultra-bright x-rays to track internal and surface evolutions in these materials."