Bättre batterier som laddas snabbt och håller länge är en mässingsring för ingenjörer. Men trots årtionden av forskning och innovation, en grundläggande förståelse för exakt hur batterier fungerar i minsta skala har förblivit svårfångat.

I en artikel publicerad i veckan i tidningen Vetenskap , ett team som leds av William Chueh, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford och en fakultetsvetare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory, har utvecklat ett sätt att som aldrig förr se in i den elektrokemiska reaktionen som driver den vanligaste laddningsbara cellen som används idag:litiumjonbatteriet.

Genom att visualisera de grundläggande byggstenarna för batterier - små partiklar som vanligtvis mäter mindre än 1/100 av ett människohår i storlek - har teammedlemmarna belyst en process som är mycket mer komplex än man en gång trodde. Både metoden de utvecklade för att observera batteriet i realtid och deras förbättrade förståelse av elektrokemin kan ha långtgående konsekvenser för batteridesign, ledning och vidare.

"Det ger oss grundläggande insikter om hur batterier fungerar, "sa Jongwoo Lim, medförfattare till uppsatsen och postdoktoral forskare vid Stanford Institute for Materials &Energy Sciences vid SLAC. "Tidigare, de flesta studier undersökte det genomsnittliga beteendet för hela batteriet. Nu, vi kan se och förstå hur enskilda batteripartiklar laddas och laddas ur. "

Hjärtat i ett batteri

I hjärtat av varje litiumjonbatteri finns en enkel kemisk reaktion där positivt laddade litiumjoner ligger i den gitterliknande strukturen hos en kristallelektrod när batteriet laddas ur, ta emot negativt laddade elektroner i processen. Vid omvänd reaktion genom att ta bort elektroner, jonerna frigörs och batteriet laddas.

Dessa grundläggande processer - kända som litiering (urladdning) och delitiering (laddning) - försvåras av en elektrokemisk akilleshäl. Sällan infogar jonerna jämnt över partiklarnas yta. Istället, vissa områden tar på sig fler joner, och andra färre. Dessa inkonsekvenser leder så småningom till mekanisk spänning när områden i kristallgitteret blir överbelastade med joner och utvecklar små frakturer, sänka batteriets prestanda och förkorta batteriets livslängd.

"Litiering och delitiering bör vara homogen och enhetlig, "sa Yiyang Li, en doktorand i Chuehs laboratorium och medförfattare till uppsatsen. "I verkligheten, dock, de är väldigt olikartade. I vår bättre förståelse av processen, detta papper beskriver en väg mot att undertrycka fenomenet. "

För forskare som hoppas kunna förbättra batterierna, som Chueh och hans team, motverka dessa skadliga krafter kan leda till batterier som laddas snabbare och mer fullständigt, håller mycket längre än dagens modeller.

Denna studie visualiserar laddnings-/urladdningsreaktionen i realtid - något forskare kallar operando - i detalj och skala. Teamet använde strålande röntgenstrålar och banbrytande mikroskop vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source.

"Fenomenet som avslöjas med denna teknik, Jag trodde aldrig skulle visualiseras under min livstid. Det är ganska spelväxlande i batterifältet, "sa Martin Bazant, en professor i kemiteknik och matematik vid MIT som ledde den teoretiska aspekten av studien.

Chueh och hans team skapade ett transparent batteri med samma aktiva material som de som finns i smartphones och elbilar. Det designades och tillverkades i samarbete med Hummingbird Scientific. Den består av två mycket tunna, transparenta kiselnitrid "fönster". Batteriets elektrod, tillverkad av ett enda lager av litiumjärnfosfat nanopartiklar, sitter på membranet inuti gapet mellan de två fönstren. En salt vätska, känd som en elektrolyt, flödar i gapet för att leverera litiumjonerna till nanopartiklarna.

"Det här var en mycket mycket litet batteri, håller tio miljarder gånger mindre laddning än ett smartphone -batteri, "Sade Chueh." Men det ger oss en klar bild av vad som händer på nanoskala. "

Betydande framsteg

I deras studie, forskarna upptäckte att laddningsprocessen (delitiering) är betydligt mindre enhetlig än urladdning (litiering). Intressant nog, forskarna fann också att snabbare laddning förbättrar enhetligheten, vilket kan leda till nya och bättre batteridesigner och energihanteringsstrategier.

"Den förbättrade enhetligheten minskar den skadliga mekaniska påfrestningen på elektroderna och förbättrar batteriets cykelbarhet, "Sa Chueh." Bortom batterierna, detta arbete kan ha långtgående inverkan på många andra elektrokemiska material. "Han pekade på katalysatorer, minnesenheter, och så kallat smartglas, som övergår från genomskinlig till transparent när den är elektriskt laddad.

Förutom den vetenskapliga kunskap som erhållits, det andra betydande framsteget från studien är själva röntgenmikroskopitekniken, som utvecklades i samarbete med Berkeley Lab Advanced Light Source-forskare Young-sang Yu, David Shapiro, och Tolek Tyliszczak. Mikroskopet, som finns i den avancerade ljuskällan, kan påverka energiforskningen över hela linjen genom att avslöja aldrig tidigare sett dynamik på nanoskala.

"Det vi har lärt oss här är inte bara hur man gör ett bättre batteri, men erbjuder oss ett djupt nytt fönster om vetenskapen om elektrokemiska reaktioner på nanoskala, "Sa Bazant.