Små batterier användes för att studera den spontana bildandet av nanoskala ihåliga strukturer i Matthew McDowells laboratorium vid Georgia Tech. Upphovsman:Matthew McDowell, Georgia Tech
En oväntad egenskap hos antimonkristaller i nanometer-skala-den spontana bildandet av ihåliga strukturer-kan bidra till att ge nästa generation litiumjonbatterier högre energitäthet utan att batteriets livslängd förkortas. De vändbara ihåliga strukturerna kan tillåta litiumjonbatterier att hålla mer energi och därför ge mer ström mellan laddningarna.
Flöde av litiumjoner till och ut ur legeringsbatterianoder har länge varit en begränsande faktor för hur mycket energibatterier som rymmer med konventionella material. För mycket jonflöde får anodmaterial att svälla och sedan krympa under laddningsurladdningscykler, orsakar mekanisk försämring som förkortar batteriets livslängd. För att ta itu med den frågan, forskare har tidigare utvecklat ihåliga "äggula-skal" nanopartiklar som rymmer volymförändringen orsakad av jonflöde, men att tillverka dem har varit komplext och kostsamt.
Nu, en forskargrupp har upptäckt att partiklar som är tusen gånger mindre än bredden på ett människohår spontant bildar ihåliga strukturer under laddningsurladdningscykeln utan att ändra storlek, tillåter mer jonflöde utan att skada anoderna. Forskningen rapporterades 1 juni i tidningen Naturnanoteknik .
"Avsiktligt konstruerat ihåliga nanomaterial har gjorts ett tag nu, och det är ett lovande tillvägagångssätt för att förbättra livslängden och stabiliteten för batterier med hög energitäthet, "sade Matthew McDowell, biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering och School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Problemet har varit att direkt syntetisera dessa ihåliga nanostrukturer i de stora skalor som behövs för kommersiella applikationer är utmanande och dyrt. Vår upptäckt kan erbjuda en enklare, effektiviserad process som kan leda till förbättrad prestanda på ett sätt som liknar de avsiktligt konstruerade ihåliga strukturerna. "
Forskarna gjorde sin upptäckt med hjälp av ett högupplöst elektronmikroskop som tillät dem att direkt visualisera batteriereaktioner när de inträffar i nanoskala. "Detta är en knepig typ av experiment, men om du är tålmodig och gör experimenten rätt, du kan lära dig riktigt viktiga saker om hur materialen beter sig i batterier, "Sa McDowell.
Laget, som inkluderade forskare från ETH Zürich och Oak Ridge National Laboratory, använde också modellering för att skapa en teoretisk ram för att förstå varför nanopartiklarna spontant ihåliga - istället för att krympa - under avlägsnande av litium från batteriet.
En bild av ett elektronmikroskop visar antimon -nanopartiklar som används vid forskning om spontan bildning av ihåliga strukturer för batterielektroder. Upphovsman:Matthew Boebinger, Georgia Tech
Möjligheten att bilda och reversibelt fylla ihåliga partiklar under battericykling sker endast i oxidbelagda antimon-nanokristaller som är mindre än ungefär 30 nanometer i diameter. Forskargruppen fann att beteendet härrör från ett fjädrande nativt oxidskikt som möjliggör initial expansion under litiering - flöde av joner in i anoden - men mekaniskt förhindrar krympning eftersom antimon bildar tomrum under avlägsnandet av joner, en process som kallas delitiering.
Fyndet var lite av en överraskning eftersom tidigare arbete med relaterade material hade utförts på större partiklar, som expanderar och krymper istället för att bilda ihåliga strukturer. "När vi först såg det särpräglade ihåliga beteendet, det var väldigt spännande och vi visste direkt att detta kan ha viktiga konsekvenser för batteriets prestanda, "Sa McDowell.
Antimon är relativt dyrt och används för närvarande inte i kommersiella batterielektroder. Men McDowell tror att den spontana hålningen också kan förekomma i billigare relaterade material som tenn. Nästa steg skulle innefatta att testa andra material och kartlägga en väg till kommersiell skala.
"Det skulle vara intressant att testa andra material för att se om de transformeras enligt en liknande ihålig mekanism, "sa han." Detta kan utöka materialutbudet för användning i batterier. De små testbatterier vi tillverkade visade lovande laddningsurladdningsprestanda, så vi skulle vilja utvärdera materialen i större batterier. "
Även om de kan vara dyra, de självhålande antimon-nanokristallerna har en annan intressant egenskap:de kan också användas i natriumjon- och kaliumjonbatterier, nya system för vilka mycket mer forskning måste göras.
"Detta arbete främjar vår förståelse för hur denna typ av material utvecklas inuti batterier, "McDowell sa." Denna information kommer att vara avgörande för att implementera materialet eller relaterade material i nästa generation litiumjonbatterier, som kommer att kunna lagra mer energi och vara lika hållbara som de batterier vi har idag. "
