De flesta ser defekter som brister. Några forskare från Michigan Technological University, dock, se dem som möjligheter. Tvillinggränser - som är små, symmetriska defekter i material – kan utgöra en möjlighet att förbättra litiumjonbatterier. De dubbla gränsdefekterna fungerar som energimotorvägar och kan hjälpa till att få bättre prestanda ur batterierna.

Detta fynd, publiceras i Nanobokstäver tidigare i år, vänder en tidigare uppfattning om materiella defekter på huvudet. Reza Shahbazian–Yassar hjälpte till att leda studien och har en gemensam utnämning vid Michigan Tech som Richard &Elizabeth Henes docent i nanoteknik och en adjungerad docent i materialvetenskap och ingenjörsteknik. Anmin Nie, en senior postdoktor i sin grupp, genomförde studien.

Nie säger att materiella defekter, inklusive tvillinggränser, är naturligt förekommande och majoriteten av tidigare forskning har fokuserat på att ta bort dem från material.

"Vi tittar på nanostrukturen hos batterimaterialen som finns där ute, " förklarar han. "Vi har märkt några defekter, som tvillinggränser, som finns i dessa material kan vara bra kanaler som hjälper oss att transportera litiumjoner."

Den rörelsen av joner är nyckeln till att göra bättre, starkare batterier.

Hur litiumjonbatterier fungerar

Batterier driver de flesta av våra prylar. Shahbazian-Yassar säger, "Fokus under de senaste åren har legat på laddningsbara batterier - mest specifikt litiumjonbatteriet."

Det beror på att litiumjonbatterier är lätta, packa en jättestor energitäthet, och deras effektivitet fortsätter att stiga. Som alla grundläggande batterier, de som körs på litiumjoner förlitar sig på att flytta joner från en plats till en annan. Tekniskt talat, det är mellan anoden och katoden, och en elektrisk ström förmår joner att blandas mellan dem. Ett lågt batteri betyder att det sker mindre utbyte mellan anoden och katoden. Tvillinggränser kan hjälpa till att driva det utbytet eller kanske utöka det, förhoppningsvis utan att tappa batteritiden.

Tvillinggränser i tennoxider

Tvillinggränser är i grunden spegelbilder, platser i ett material där en sida av atomarrangemang reflekterar en annan. De uppstår ofta när man gör ett material, vilket förskjuter atomerna ur plats en smula.

"Utan en detaljerad bild av atomarrangemangen, man kan tycka att elektrodmaterialets struktur är perfekt, men sedan när du är uppmärksam på atomnivå, du kommer att märka att alla dessa atomer är symmetriska med ett plan, "Nie säger, förklarar att symmetrin orsakar problem eftersom den skapar svaga punkter.

På samma gång, att symmetri är det som ger en väg för joner att resa längs. Shahbazian-Yassar och hans team fick ett bidrag från Division of Materials Research vid National Science Foundation förra hösten för att utforska detta och har nu visat att en tvillinggräns fungerar som en motorväg för litiumjontransport.

"Vanligtvis är det tillgängliga lediga utrymmet i kristallen vad joner använder för att röra sig in eller ut ur elektroden, "Shahbazian-Yassar säger, förklarar att utrymmet är som en fullsatt stad med smala gator och jonerna liknar de rörliga bilarna. "Om det händer en olycka, vägarbete, eller helt enkelt trafik, bilar kan inte lätt passera genom gatorna - liknande fenomen inträffar i batterier.

Litiumjoner behöver breda och öppna vägar för att kunna ta sig in och ut ur batterielektroderna. Alla hinder för de rörliga jonerna kommer att minska mängden energi eller kraft som utvinns från ett batteri.

Nästa steg i energilagring

Forskargruppen undersökte tvillinggränser i tennoxider, men Shahbazian-Yassar säger att det är tillämpbart i många batterimaterial. Nästa steg är att ta reda på hur man optimerar dessa defekter för att balansera den mekaniska integriteten med mängden tvillingstrukturer. Att hitta den balansen kommer att vara i fokus för forskarnas nästa steg, och denna nya upptäckt om tvillinggränser lägger grunden för att förbättra litiumjonbatterier.