Defecten op nanoschaal kunnen materialen voor energieopslag stimuleren

Sommige onvolkomenheden betalen grote vruchten af.

Een door Cornell geleide samenwerking gebruikte röntgen-nanoimaging om een ​​ongekend beeld te krijgen van elektrolyten in vaste toestand, waarbij voorheen niet-ontdekte kristaldefecten en dislocaties werden onthuld die nu kunnen worden gebruikt om superieure energieopslagmaterialen te creëren.

De paper van de groep, “X-ray Nanoimaging of Crystal Defects in Single Grains of Solid-State Electrolyte Li₇-3_XAl_XLa₃Zr₂O₁₂, “gepubliceerd op 29 april in Nano Letters, een publicatie van de American Chemical Society. De hoofdauteur van het artikel is doctoraatsstudent Yifei Sun.

Al een halve eeuw onderzoeken materiaalwetenschappers de effecten van minuscule defecten in metalen. De evolutie van beeldvormende instrumenten heeft nu mogelijkheden gecreëerd om soortgelijke fenomenen in andere materialen te onderzoeken, met name die welke worden gebruikt voor energieopslag.

Een groep onder leiding van Andrej Singer, assistent-professor en David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow bij het Department of Materials Science and Engineering, gebruikt synchrotronstraling om defecten op atomaire schaal in batterijmaterialen bloot te leggen die conventionele benaderingen, zoals elektronenmicroscopie, niet hebben gevonden.

De Singer Group is vooral geïnteresseerd in vaste-stofelektrolyten omdat deze mogelijk kunnen worden gebruikt om de vloeibare en polymeerelektrolyten in lithium-ionbatterijen te vervangen. Een van de grootste nadelen van vloeibare elektrolyten is dat ze vatbaar zijn voor de vorming van stekelige dendrieten tussen de anode en de kathode, waardoor de batterij kortsluiting kan veroorzaken of, erger nog, deze kan laten ontploffen.

Vaste-stof elektrolyten hebben de deugd dat ze niet ontvlambaar zijn, maar ze vormen hun eigen uitdagingen. Ze geleiden lithiumionen niet zo sterk of snel als vloeistoffen, en het kan moeilijk zijn om contact te houden tussen de anode en de kathode. Elektrolyten in vaste toestand moeten ook extreem dun zijn; anders zou de batterij te omvangrijk zijn en zou elke capaciteitswinst teniet worden gedaan.

Het enige dat elektrolyten in vaste toestand levensvatbaar zou kunnen maken? Kleine defecten, zei Singer.

“Deze defecten kunnen ionische diffusie vergemakkelijken, zodat ze ervoor kunnen zorgen dat de ionen sneller gaan. Dat is iets waarvan bekend is dat het gebeurt bij metalen”, zei hij. “Evenals bij metalen, is het hebben van defecten beter in termen van het voorkomen van breuk. Ze kunnen het materiaal dus minder vatbaar maken voor breuk.”

De groep van Singer werkte samen met Nikolaos Bouklas, assistent-professor aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering en een co-auteur van het artikel, die hen hielp begrijpen hoe defecten en dislocaties de mechanische eigenschappen van elektrolyten in vaste toestand kunnen beïnvloeden.

Het Cornell-team werkte vervolgens samen met onderzoekers van Virginia Tech – onder leiding van Feng Lin, de co-senior auteur van het artikel – die het monster synthetiseerde: een granaatkristalstructuur, lithium lanthaan zirkoniumoxide (LLZO), met verschillende concentraties aluminium toegevoegd in een proces doping genoemd.

Met behulp van de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, gebruikten ze een techniek genaamd Bragg Coherent Diffractive Imaging waarin een zuivere, kolomvormige röntgenbundel wordt gefocust – net als een laserpointer – op een korrel van een enkele micron. van LLZO. Elektrolyten bestaan ​​uit miljoenen van deze granen. De straal creëerde een 3D-beeld dat uiteindelijk de morfologie en atomaire verplaatsingen van het materiaal onthulde.

“Deze elektrolyten werden verondersteld perfecte kristallen te zijn,” zei Sun. “Maar wat we vinden zijn defecten zoals dislocaties en korrelgrenzen die niet eerder zijn gerapporteerd. Zonder onze 3D-beeldvorming, die extreem gevoelig is voor defecten, zou het waarschijnlijk onmogelijk zijn om die dislocaties te zien omdat de dislocatiedichtheid zo laag is. “

De onderzoekers zijn nu van plan een onderzoek uit te voeren dat meet hoe de defecten de prestaties van vaste elektrolyten in een echte batterij beïnvloeden.

“Nu we precies weten waarnaar we op zoek zijn, willen we deze defecten vinden en ernaar kijken terwijl we de batterij laten werken,” zei Singer. “We zijn er nog ver van verwijderd, maar we staan ​​misschien aan het begin van een nieuwe ontwikkeling waarin we deze defecten met opzet kunnen ontwerpen om betere materialen voor energieopslag te maken.”