Derfor mister batterier peppen

Batterier blir ødelagt av mange oppladinger. En video tatt med et elektronmikroskop viser hvordan denne prosessen skjer i litium-ionebatterier.

Publisert

Litium-ionebatteri

Litium-ionebatterier er oppladbare. De brukes i forbrukerelektronikk, blant annet mobiltelefoner og bærbare PCer, fordi de har stor strømkapasitet i forhold til vekten. Også elektriske biler bruker denne typen batterier.

Vanlige litium-ionebatterier har elektroder av grafitt og et metalloksid. Under bruk vandrer litium gjennom en fast elektrolytt av organiske stoffer fra den ene elektroden til den andre, og det frigjøres elektroner som lager strøm. Under opplading vandrer litium den motsatte veien mellom elektrodene.

Siden litium er et grunnstoff som svært lett reagerer med vann, må litium-ionebatterier være vanntette. Skulle vann komme inn i batteriet, ville litium frigjøre hydrogen fra vannmolekylene. Hydrogengass er svært eksplosiv.

(Kilde: Wikipedia)

Opptakene er de første av sitt slag, og viser hvordan nanotråden ved den ene elektroden i batteriet forandrer seg. En helt spesiell teknikk måtte til for å gjøre opptakene.

Tråden hadde først et tverrsnitt på rundt 100 nanometer, eller titusendels millimeter. Men da oppladingen startet, og det begynte å strømme ladede litium-atomer mot elektroden, svulmet nanotråden opp og ble tykkere.

Video tatt av Jian Yu Huang gjennom elektronmikroskop spilt av med 33 ganger naturlig hastighet. Nanotråden av tinnoksid er 100 nanometer i tverrsnitt.

Medusa-fronten

På videoen kan man lett se hvordan litium-atomene ”pumper” seg oppover langs tråden. Forskerne kaller den krypende vekstsonen for ”Medusa-fronten”, etter kvinnemonsteret med slangehår fra gresk mytologi.

Også nanotråden bukter og vrir seg, og blir nesten dobbelt så lang under ladingen. Dette er den største og mest utventede forandringen, avslører videoen.

Opptakene er gjort av et forskerteam ledet av Jian Yu Huang ved Sandia National Laboratories i USA.

Bildeserie tatt med elektronmikroskop av nanotråden av tinnoksid, etterhvert som den tilføres litium-ioner under opplading og utvider seg  . (Foto: Science/AAAS)
Bildeserie tatt med elektronmikroskop av nanotråden av tinnoksid, etterhvert som den tilføres litium-ioner under opplading og utvider seg . (Foto: Science/AAAS)

Forvandling


Medusa hadde dessuten et blikk som kunne forvandle mennesker til stein. Medusa-sonen forvandler også nanotråden, fra et velordnet krystall til et glassaktig materiale med uryddig struktur.

Forvandlingen kan forklare hvorfor denne typen batterier blir slitt ut etter hvert, heter det i en nyhetsmelding fra tidsskriftet Science, der studien publiseres.

Batteriet som Huang brukte, er riktignok spesielt laget for forsøket.

I vanlige litium-ionebatterier er det ingen nanotråd. Der er elektroden laget av grafitt eller andre materialer. Likevel er omdanningen av materialet ved elektroden i prinsippet den samme.

Vanlige litium-ionebatterier sliter nemlig med at materialet ved elektrodene svulmer opp og pulveriseres ved opplading. Elektroden blir sakte ødelagt.

- Våre observasjoner har viktig betydning for batteridesign og for å motvirke batterifeil, sier Jian Yu Huang til Science.

Bedre og mindre batterier

Men den ørlille elektroden av nanotråd kan også danne modell for en ny generasjon batterier.

Ifølge en kommentarartikel av Yet-Ming Chiang i Science, kan denne typen batterier i prinsippet oppnå en 10 til 30 ganger høyere kapasitet i forhold til vekt, sammenlignet med dagens litium-ionebatterier.

Den omvandlingen av materialet som ødelegger elektrodene i vanlige litium-ionebatterier, er heller ikke så ødeleggende i en nanotråd. De blir mer holdbare, fordi de klarer å utvide seg uten å briste.

Batterier med nanotråder kan også gjøres svært små, og vil i framtida kunne brukes til å drive nanoroboter, antyder Huang i sin artikkel i Science.

Tinnoksid

Nanotråden er laget av materialet tinnoksid. Dette har stor evne til å ta imot lading, men kan bare lades opp en gang. Derfor er det lite aktuelt som materiale i kommersielle batterier.

Men tinnoksidet gjennomgår spesielt dramatiske forandringer under lading.

Det er defor Huang og kollegene hans valgte dette materialet. De håper at forandringene de har sett, kan overføres også til andre materialer.

Referanse og lenker:

Jian Yu Huang et.al: In Situ Observation of the Electrochemical Lithiation of a Single SnO2 Nanowire Electrode, Science 10. desember 2010, Vol. 330 no. 6010 pp. 1515-1520 DOI: 10.1126/science.1195628

Nyhetsmelding fra nettsidene til tidsskriftet Science

Nyhetsmelding fra nettsidene til tidsskriftet New Scientist

Nyhetsmelding fra nettstedet e! Science News

Artikkel oppdatert 25/3/2015