26 januari 2017
Zelfordening beschermt nanobatterij tegen interne stress
Onderzoekers van Differ en Stanford University hebben voor het eerst kunnen vastleggen hoe een nanobatterij zich oplaadt. Ze maakten een real-time opname van dit proces. Uit het unieke filmpje blijkt dat nanobatterijen niet beschadigen tijdens het opladen. In het vakblad Nature Communications beschrijven Andrea Baldi (Differ) en zijn collega's hoe nanodeeltjes de interne stress vermijden die wel optreedt in bestaande batterijen. Dit nieuwe inzicht kan leiden tot betere batterijen met een veel langere levensduur.
Momentopnames van het opladen van kleine en grotere nanobatterijen van palladium door het opnemen van waterstofdeeltjes. In de rode gebieden is het metaalrooster van palladium uitgezet om ruimte te bieden aan het waterstof. De opname gebeurt aan de hoekpunten en langs nette fronten, zodat het metaaldeeltje interne spanning vermijdt. Credit: Nature Communications / Narayan, Hayee, Baldi et al.
Batterij oprekken
Het opslagmateriaal in bijvoorbeeld lithium-ion batterijen of metaalhydride-batterijen absorbeert energie als het lichte atomen (zoals lithium) opneemt in zijn metaalrooster. Om dit te kunnen doen moet het metaalrooster oprekken, wat interne stress geeft tussen opgeladen en lege gebieden. Die stress zorgt voor beschadigingen en verkort de levensduur van het opslagmateriaal. Wetenschappers wisten al dat nanodeeltjes van hetzelfde opslagmateriaal veel minder gevoelig voor dergelijke beschadigingen zijn, maar het precieze mechanisme was nog niet bekend. Met real-time opnames met een elektronenmicroscoop hebben Baldi, groepsleider Nanomaterials for Energy Applications bij Differ, en zijn collega’s, dit opgehelderd.
Geordende fronten
De onderzoekers bekeken met de elektronenmicroscoop het binnendringen van waterstofatomen in minuscule kubusjes palladium van een paar nanometer groot, een modelsysteem voor de opname van lithium-ionen in lithium-ion batterijen. Ze zagen heldere en donkere gebieden in de opnames, die overeenkwamen met delen van het palladium waarin wel of geen waterstof is opgenomen. Door elke seconde een scan van het deeltje te maken kon het team de verschillende fasen van het oplaadgedrag reconstrueren.
De eerste waterstofdeeltjes dringen binnen bij de hoekpunten van een palladiumkubus. Daar heeft het metaal de meeste ruimte om uit te zetten. Het waterstof verspreidt zich daarna niet geleidelijk door het metaal, maar vult eerst een smal front, parallel aan een zijde van de kubus. Een deeltje kan ook meerdere fronten vormen, parallel aan elkaar. Als de nanobatterij meer waterstof opneemt en dus verder oplaadt, zetten de fronten uit tot ze al het opslagmateriaal vullen. De onderzoekers denken dat deze geordende structuren voor minder interne stress zorgen dan in grotere brokken opslagmateriaal, waar de atoomroosters niet zo netjes geordend zijn en wringen.
Vooruitzicht
“Voor zover wij weten is dit de eerste keer dat deze processen met zulke hoge resolutie en real-time zijn gefilmd”, zegt Baldi. De volgende stap is het toepassen van dit inzicht in technologisch relevante opslagmaterialen zoals lithium-ion batterijen met een langere levensduur.
Momentopnames (real-time afgespeeld) van het opladen van kleine en grotere nanobatterijen van palladium door het opnemen van waterstofdeeltjes. Heldere gebieden van het nanodeeltje zijn uitgezet om waterstof op te kunnen nemen. De opnamegebieden hebben zich zo geordend, dat het deeltje zo weinig mogelijk interne stress opbouwt. Credit: Andrea Baldi
