Vissa brister ger stor utdelning.

Ett samarbete som leds av Cornell använde röntgen nanoavbildning för att få en oöverträffad syn på elektrolyter i fast tillstånd, avslöjar tidigare oupptäckta kristalldefekter och dislokationer som nu kan utnyttjas för att skapa överlägsna energilagringsmaterial.

Gruppens tidning, "Röntgen nanoavbildning av kristalldefekter i enstaka korn av fast tillståndselektrolyt Li ₇ -3 _x Al _x La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , " publicerad 29 april i Nanobokstäver , en publikation från American Chemical Society. Tidningens huvudförfattare är doktoranden Yifei Sun.

I ett halvt sekel, materialforskare har undersökt effekterna av små defekter i metaller. Utvecklingen av bildverktyg har nu skapat möjligheter att utforska liknande fenomen i andra material, framför allt de som används för energilagring.

En grupp ledd av Andrej Singer, biträdande professor och David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow vid institutionen för materialvetenskap och teknik, använder synkrotronstrålning för att avslöja atomskaliga defekter i batterimaterial som konventionella metoder, såsom elektronmikroskopi, har misslyckats med att hitta.

Singer Group är särskilt intresserad av fasta elektrolyter eftersom de potentiellt kan användas för att ersätta vätske- och polymerelektrolyter i litiumjonbatterier. En av de största nackdelarna med flytande elektrolyter är att de är mottagliga för bildandet av taggiga dendriter mellan anoden och katoden, som kortsluter batteriet eller, ännu värre, få den att explodera.

Fasta elektrolyter har den fördelen att de inte är brandfarliga, men de erbjuder sina egna utmaningar. De leder inte litiumjoner lika starkt eller snabbt som vätskor, och att upprätthålla kontakt mellan anoden och katoden kan vara svårt. Elektrolyter i fast tillstånd måste också vara extremt tunna; annat, batteriet skulle vara för skrymmande och eventuell vinst i kapacitet skulle förnekas.

Det enda som skulle kunna göra fasta elektrolyter livskraftiga? Små defekter, sa Singer.

"Dessa defekter kan underlätta jondiffusion, så att de kan låta jonerna gå snabbare. Det är något som är känt för att hända i metaller, " sa han. "Också som i metaller, att ha defekter är bättre när det gäller att förhindra fraktur. Så de kan göra materialet mindre benäget att gå sönder."

Singers grupp samarbetade med Nikolaos Bouklas, biträdande professor vid Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering och en medförfattare till uppsatsen, som hjälpte dem att förstå hur defekter och dislokationer kan påverka de mekaniska egenskaperna hos elektrolyter i fast tillstånd.

Cornell-teamet samarbetade sedan med forskare vid Virginia Tech – ledd av Feng Lin, tidningens co-senior författare – som syntetiserade provet:en granatkristallstruktur, litium lantan zirkoniumoxid (LLZO), med olika koncentrationer av aluminium tillsatt i en process som kallas doping.

Med hjälp av den avancerade fotonkällan vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory, de använde en teknik som kallas Bragg Coherent Diffractive Imaging där en ren, kolumnformad röntgenstråle fokuseras - ungefär som en laserpekare - på ett enda mikronstort korn av LLZO. Elektrolyter består av miljoner av dessa korn. Strålen skapade en 3D-bild som till slut avslöjade materialets morfologi och atomförskjutningar.

"Dessa elektrolyter antogs vara perfekta kristaller, ", sa Sun. "Men det vi hittar är defekter som dislokationer och korngränser som inte har rapporterats tidigare. Utan vår 3D-bildbehandling, som är extremt känslig för defekter, det skulle sannolikt vara omöjligt att se dessa dislokationer eftersom dislokationstätheten är så låg."

Forskarna planerar nu att genomföra en studie som mäter hur defekterna påverkar prestandan hos elektrolyter i fast tillstånd i ett faktiskt batteri.

"Nu när vi vet exakt vad vi letar efter, vi vill hitta dessa defekter och titta på dem när vi använder batteriet, " sa Singer. "Vi är fortfarande långt borta från det, men vi kan vara i början av en ny utveckling där vi kan designa dessa defekter med avsikt för att göra bättre energilagringsmaterial."