Bisher unbekannte Prozesse zeigen den Weg zu einer besseren Leistung von wiederaufladbaren Batterien
Neue Elektronenmikroskopie-Technik ermöglicht es, Bilder vom Innenleben von Batterien zu erstellen
Um bessere wiederaufladbare Ionenbatterien zu entwerfen, haben Ingenieure und Chemiker der University of Illinois Urbana-Champaign zusammengearbeitet, um eine leistungsstarke neue Elektronenmikroskopietechnik und Data Mining zu kombinieren, um Bereiche mit chemischen und physikalischen Veränderungen in Ionenbatterien visuell zu lokalisieren.
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Die Studie unter der Leitung der Professoren für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, Qian Chen und Jian-Min Zuo, ist die erste, die veränderte Bereiche in wiederaufladbaren Ionenbatterien auf der Nanoskala abbildet - eine 10-fache oder mehr an Auflösung im Vergleich zu aktuellen Röntgen- und optischen Methoden.
Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht .
Laut dem Team haben sich frühere Versuche, die Funktionsweise und die Ausfallmechanismen von Batteriematerialien zu verstehen, in erster Linie auf die chemischen Auswirkungen von Aufladezyklen konzentriert, d. h. auf die Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Batterieelektroden.
Eine neue Elektronenmikroskopietechnik, die so genannte vierdimensionale Rastertransmissionselektronenmikroskopie, ermöglicht es dem Team, mit einer hochfokussierten Sonde Bilder des Innenlebens von Batterien zu sammeln.
"Während des Betriebs von wiederaufladbaren Ionenbatterien diffundieren Ionen in und aus den Elektroden, was zu mechanischen Belastungen und manchmal zu Rissbildung führt", sagt der Postdoktorand und Erstautor Wenxiang Chen. "Mit der neuen Elektronenmikroskopie-Methode können wir zum ersten Mal die durch die Dehnung verursachten nanoskaligen Domänen im Inneren von Batteriematerialien erfassen".
Qian Chen sagte, dass diese Art von mikrostrukturellen Heterogenitätsveränderungen in der Keramik und Metallurgie weithin untersucht wurden, aber bis zu dieser Studie nicht für Energiespeichermaterialien verwendet wurden.
"Die 4D-STEM-Methode ist von entscheidender Bedeutung, um die sonst unzugänglichen Variationen der Kristallinität und der Domänenorientierungen im Inneren der Materialien abzubilden", so Zuo.
Das Team verglich seine 4D-STEM-Beobachtungen mit der rechnerischen Modellierung unter der Leitung von Elif Ertekin, Professorin für Mechanik und Ingenieurwissenschaften, um diese Variationen zu erkennen.
"Die kombinierten Data-Mining- und 4D-STEM-Daten zeigen ein Muster aus Keimbildung, Wachstum und Koaleszenzprozess im Inneren der Batterien, während sich die gespannten nanoskaligen Domänen entwickeln", so Qian Chen. "Diese Muster wurden anhand von Röntgenbeugungsdaten verifiziert, die von Daniel Shoemaker, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Mitautor der Studie, gesammelt wurden."
Qian Chen plant, diese Forschung durch die Erstellung von Filmen dieses Prozesses zu vertiefen - etwas, wofür ihr Labor sehr bekannt ist.
"Die Auswirkungen dieser Forschung können über das hier untersuchte multivalente Ionenbatteriesystem hinausgehen", sagte Paul Braun, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, Leiter des Materials Research Laboratory und Mitautor der Studie. "Das Konzept, die Prinzipien und die Rahmenbedingungen für die Charakterisierung gelten für Elektroden in einer Vielzahl von Li-Ionen- und Post-Li-Ionen-Batterien und anderen elektrochemischen Systemen wie Brennstoffzellen, synaptischen Transistoren und Elektrochromie."
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