För litium-syre batterisystem, det är välkänt att laddnings- och urladdningsreaktionen ger märkliga reaktionsproduktformer som liknar munkar och ballonger. Än, hur dessa former har förblivit ett mysterium. En ny studie av ett fungerande nano-litium-syrebatteri i atomskala i en syreatmosfär ger ledtrådar för att lösa detta mysterium.

Upptäckten av litium-syre-reaktionsvägen sätter grunden för kvantitativ modellering av elektrokemiska processer i litium-syre-systemet, ger insikt om hur man bäst utformar litium-syre batterier med hög kapacitet och längre livslängd.

Litium-syre batterisystemet har uppfattats som en möjliggörande teknik för elindustrin. Dock, framsteg inom forskning och utveckling av ett litium-syre batteri har kraftigt hämmats av två obesvarade frågor. Först, vad är den elektrokemiska reaktionsvägen när man laddar ur och laddar batteriet? Andra, vad är förhållandet mellan de komplicerade formerna av reaktionsprodukten och reaktionsvägen? Svaren på dessa två frågor är grundläggande, men ändå avgörande för utvecklingen av litium-syre-batterierna.

För att ta itu med denna kunskapslucka, ett team av forskare från Pacific Northwest National Laboratory; Tianjin polytekniska universitet i Kina; och EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, använde avancerade in-situ bildtekniker-miljööverföringselektronmikroskopet-vid EMSL, en användaranläggning för Department of Energy Office of Science, att observera ett nano-litium-syre batteri under laddning och urladdning. De fann syre reagerar med litium på kolnanorör för att bilda en metastabil litiumoxid.

Denna oxid omvandlas till en mer stabil litiumoxid och frigör syrgas som expanderar (blåser upp) partiklar till en ihålig struktur, producera munk- och ballongformer. Denna observation visar mer allmänt att det sätt på vilket det frigjorda syret är inrymt reglerar bildandet av den komplicerade morfologin för reaktionsprodukten i ett litium-syre-batteri. Resultaten av detta arbete besvarar inte bara de två frågorna som beskrivs ovan, men ger också inblick i jon- och elektrontransport i kombination med massflöde för litium-syre-batteriet.