Litiumjonbatterier som driver bärbara datorer, elbilar och så många andra moderna prylar fungerar på en enkel plan:Litiumjoner pendlar fram och tillbaka mellan två elektroder, sätta in sig i en av elektroderna när batteriet laddas och flytta över till den andra när batteriet töms. Hastigheten och lättheten av deras resa genom batteriets flytande elektrolyt hjälper till att avgöra hur snabbt batteriet kan laddas.

Nu har forskare tittat närmare på vad som händer inom några nanometer från elektroden, där de normalt fritt rörliga elektrolytmolekylerna organiserar sig i lager som står direkt i litiumjonernas vägar.

De observerade direkt denna skiktning för första gången i röntgenförsök vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. Resultaten tyder på att förändring av koncentrationen av litiumjoner i elektrolyten kan förändra arrangemanget av molekylskikten och göra det lättare för jonerna att komma in och ut ur elektroden.

"Den processen med jonerna att hitta in i elektroden är mycket viktig när det gäller hur snabbt du kan ladda batteriet och hur länge batteriet håller, "sa Michael Toney, en framstående personalvetare vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och medledare för studien. "Att förstå detaljerna i nanoskala om hur detta fungerar kan föreslå sätt att öka laddningshastigheten och effektiviteten."

Rapporten har accepterats för publicering i Energi- och miljövetenskap , och en förhandskopia läggs ut på tidskriftens webbplats.

Söker en kommersiell elektrolyt

I litiumjonbatterier, elektrolyten består av litium och andra joner i ett lösningsmedel, med lösningsmedelsmolekylerna som rör sig som de skulle i någon annan vätska. Men baserat på teori och tidigare datasimuleringar, forskare hade en stark misstanke om att något annat hände i den lilla volymen av elektrolyten som ligger precis bredvid elektroden. Här, dem trodde, närvaron av elektrodens hårda yta skulle få lösningsmedelsmolekylerna att radas upp och bilda ordnade lager. Dock, att bekräfta detta genom experiment visade sig vara svårt.

För dessa senaste experiment, Tones team använde ett metalloxidmaterial för att representera elektroden, badade i en elektrolyt som vanligtvis finns i kommersiella litiumjonbatterier.

Genom att fokusera en röntgenstråle med hög briljans från SSRL på elektrodens yta och analysera röntgenstrålarna som studsade tillbaka genom elektrolyten, som ljus som reflekteras från en spegel, forskarna kunde bestämma strukturerna och positionerna för enskilda lösningsmedelsmolekyler och litiumjoner som befann sig inom några miljarddels meter från elektrodytan, sa Hans-Georg Steinrück, en postdoktor i Tones grupp och medledare för experimenten. Molekylära dynamiksimuleringar kompletterade och överensstämde med de experimentella resultaten.

"Vi kan se positionerna för joner och lösningsmedelsmolekyler nära elektroden med ångströmupplösning, och se också hur de är orienterade på elektrodens yta, "Sa Steinrück." De är ordnade i väldefinierade lager vid gränsen, och det första lagret ligger plant, parallellt med elektrodens yta; då blir de mer oroliga, mer typisk för en vätska, när du rör dig ut från ytan. "Dessa ordnade lager gör det svårare för litiumjonerna att snabbt röra sig genom lagren och in i elektroden.

Skiftande molekyler

Dock, när koncentrationen av litiumjoner i elektrolyten ökade, lagrenas placering ändrades; det blev lite mer ordnat, och skikten var längre ifrån varandra, Sa Steinrück. Detta ledde forskarna till en slutsats som verkar nästan motsatsen till vad du kan förvänta dig.

"Vår hypotes är att om du vill förbättra litiumjonstransport, du vill minska ordermängden i lagren, och det betyder att minska litiumjonkoncentrationen snarare än att öka den, " han sa.

Steinrück sa att laget kommer att utforska denna forskningsväg vidare, tillägger att den grundläggande kunskap som erhållits med denna teknik också kan tillämpas på studier av andra typer av nästa generations batterier och energilagringssystem.