Att bygga ett bättre batteri är en delikat balansgång. Att öka mängden kemikalier vars reaktioner driver batteriet kan leda till instabilitet. Liknande, mindre partiklar kan förbättra reaktiviteten men utsätta mer material för nedbrytning. Nu är ett team av forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, och SLAC National Accelerator Laboratory säger att de har hittat ett sätt att hitta en balans – genom att göra en batterikatod med en hierarkisk struktur där det reaktiva materialet är rikligt men ändå skyddat.

Testbatterier som innehåller detta katodmaterial uppvisade förbättrat högspänningscykelbeteende - den typ du vill ha för snabbladdande elfordon och andra applikationer som kräver lagring med hög kapacitet. Forskarna beskriver detaljerna i mikro-till-nanoskala i katodmaterialet i en artikel publicerad i tidskriften Naturenergi 11 januari, 2016.

"Våra kollegor på Berkeley Lab kunde göra en partikelstruktur som har två komplexitetsnivåer där materialet är sammansatt på ett sätt så att det skyddar sig mot nedbrytning, " förklarade Brookhaven Lab-fysiker och Stony Brook University adjungerad biträdande professor Huolin Xin, som hjälpte till att karakterisera nanoskaladetaljerna i katodmaterialet vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN).

Röntgenbilder utförda av forskare vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) vid SLAC tillsammans med Xins elektronmikroskopi vid CFN avslöjade sfäriska partiklar av katodmaterialet som mätte miljondelar av meter, eller mikron, i diameter består av massor av mindre, fasetterade nanoskaliga partiklar staplade ihop som tegelstenar i en vägg. Karakteriseringsteknikerna avslöjade viktiga strukturella och kemiska detaljer som förklarar varför dessa partiklar presterar så bra.

Litiumjonskytteln

Kemi är kärnan i alla uppladdningsbara litiumjonbatterier, som driver bärbar elektronik och elbilar genom att flytta litiumjoner mellan positiva och negativa elektroder badade i en elektrolytlösning. När litium rör sig in i katoden, kemiska reaktioner genererar elektroner som kan dirigeras till en extern krets för användning. Omladdning kräver en extern ström för att driva reaktionerna i omvänd riktning, dra ut litiumjonerna ur katoden och skicka dem till anoden.

Reaktiva metaller som nickel har potential att göra stora katodmaterial - förutom att de är instabila och tenderar att genomgå destruktiva sidoreaktioner med elektrolyten. Så Brookhaven, Berkeley, och SLAC batteriteam experimenterade med sätt att införliva nickel men skydda det från dessa destruktiva bireaktioner.

De sprutade en lösning av litium, nickel, mangan, och kobolt blandas i ett visst förhållande genom ett finfördelarmunstycke för att bilda små droppar, som sedan sönderdelas till ett pulver. Upprepad uppvärmning och kylning av pulvret utlöste bildandet av små nanostora partiklar och självmontering av dessa partiklar till den större sfäriska, ibland ihålig, strukturer.

Använda röntgenstrålar vid SLAC:s SSRL, forskarna gjorde kemiska "fingeravtryck" av strukturerna i mikronskala. Synkrotrontekniken, kallas röntgenspektroskopi, avslöjade att den yttre ytan av sfärerna var relativt låg i nickel och hög i oreaktivt mangan, medan inredningen var rik på nickel.

"Manganskiktet bildar en effektiv barriär, som måla på en vägg, skydda den inre strukturen hos de nickelrika "tegelstenarna" från elektrolyten, " sa Xin.

Men hur kunde litiumjonerna fortfarande komma in i materialet för att reagera med nickel? Att få reda på, Xins grupp vid CFN malde upp de större partiklarna för att bilda ett pulver som består av mycket mindre klumpar av de primära partiklarna i nanoskala med några av gränssnitten mellan dem fortfarande intakta.

"Dessa prover visar en liten delmängd av tegelstenarna som bildar väggen. Vi ville se hur tegelstenarna sätts ihop. Vilken typ av cement eller murbruk binder dem? Lagras de ihop regelbundet eller är de slumpmässigt orienterade med mellanrum däremellan? " sa Xin.

Nanoskala detaljer förklarar förbättrad prestanda

Genom att använda ett aberrationskorrigerat sveptransmissionselektronmikroskop – ett sveptransmissionselektronmikroskop utrustat med ett par "glasögon" för att förbättra dess syn – såg forskarna att partiklarna hade facetter, plana ytor eller sidor som de skurna kanterna på en kristall, vilket gjorde att de kunde packas tätt ihop för att bilda sammanhängande gränssnitt utan murbruk eller cement mellan tegelstenarna. Men det var en liten misspassning mellan de två ytorna, varvid atomerna på ena sidan av gränsytan är något förskjutna i förhållande till atomerna på den angränsande partikeln.

"Packningen av atomer vid gränssnitten mellan de små partiklarna är något mindre tät än det perfekta gittret inom varje enskild partikel, så dessa gränssnitt gör i princip en motorväg för litiumjoner att gå in och ut, " sa Xin.

Som små smarta bilar, litiumjonerna kan röra sig längs dessa motorvägar för att nå väggens inre struktur och reagera med nickel, men mycket större elektrolytmolekyler av semi-lastbilsstorlek kan inte komma in för att bryta ned det reaktiva materialet.

Med hjälp av ett spektroskopiverktyg i sitt mikroskop, CFN-forskarna producerade kemiska fingeravtryck i nanoskala som avslöjade att det fanns en viss segregering av nickel och mangan även på nanoskala, precis som det fanns i strukturerna i mikronskala.

"Vi vet ännu inte om detta är funktionellt signifikant, men vi tror att det kan vara fördelaktigt och vi vill studera detta vidare, " sa Xin. Till exempel, han sa, kanske kan materialet tillverkas i nanoskala för att ha ett manganskelett för att stabilisera det mer reaktiva, mindre stabila nickelrika fickor.

"Den kombinationen kan ge dig en längre livslängd för batteriet tillsammans med den högre laddningskapaciteten för nickel, " han sa.