La plupart des gens voient les défauts comme des défauts. Quelques chercheurs de l'Université technologique du Michigan, cependant, les voir comme des opportunités. Les frontières jumelles - qui sont petites, défauts symétriques dans les matériaux - peut présenter une opportunité d'améliorer les batteries lithium-ion. Les défauts de frontière jumeaux agissent comme des autoroutes énergétiques et pourraient aider à obtenir de meilleures performances des batteries.

Cette trouvaille, Publié dans Lettres nano plus tôt cette année, renverse une notion antérieure de défauts matériels. Reza Shahbazian-Yassar a aidé à diriger l'étude et occupe un poste conjoint à Michigan Tech en tant que professeur agrégé Richard &Elizabeth Henes en nanotechnologie et professeur agrégé adjoint en science et ingénierie des matériaux. Anmin Nie, un chercheur postdoctoral senior dans son groupe, a mené l'étude.

Nie dit que les défauts matériels, y compris les frontières jumelles, sont d'origine naturelle et la majorité des recherches passées se sont concentrées sur leur suppression des matériaux.

« Nous examinons la nanostructure des matériaux de batterie qui existent, " explique-t-il. " Nous avons constaté quelques défauts, comme les frontières jumelles, qui existent dans ces matériaux peuvent être de bons canaux qui nous aideront à transporter les ions lithium. »

Ce mouvement des ions est la clé pour faire mieux, batteries plus puissantes.

Comment fonctionnent les batteries lithium-ion

Les batteries alimentent la plupart de nos gadgets. Shahbazian-Yassar dit, « Au cours des dernières années, l'accent a été mis sur les batteries rechargeables, plus particulièrement la batterie lithium-ion. »

C'est parce que les batteries lithium-ion sont légères, emballez un énorme punch de densité d'énergie, et leur efficacité continue de grimper. Comme toutes les batteries de base, ceux qui fonctionnent aux ions lithium reposent sur la navette des ions d'un endroit à un autre. Techniquement parlant, c'est entre l'anode et la cathode, et un courant électrique amène les ions à se mélanger entre eux. Une batterie faible signifie qu'il y a moins d'échanges entre l'anode et la cathode. Des frontières jumelles pourraient aider à faire avancer cet échange ou peut-être à l'étendre, espérons-le sans perdre la durée de vie de la batterie.

Frontières jumelles dans les oxydes d'étain

Les frontières jumelles sont essentiellement des images miroir, endroits dans un matériau où un côté des arrangements atomiques en reflète un autre. Ils résultent souvent lors de la fabrication d'un matériau, qui déplace les atomes hors de leur place un peu.

"Sans une vue détaillée des arrangements atomiques, on pourrait penser que la structure du matériau de l'électrode est parfaite, mais alors quand vous faites attention au niveau atomique, vous remarquerez que ces atomes sont tous symétriques avec un seul plan, " Nie dit, expliquant que la symétrie pose des problèmes car elle crée des points faibles.

À la fois, cette symétrie est ce qui fournit une route aux ions pour voyager. Shahbazian-Yassar et son équipe ont reçu une subvention de la Division of Materials Research de la National Science Foundation l'automne dernier pour explorer cela et ont maintenant montré qu'une frontière jumelle agit comme une autoroute pour le transport des ions lithium.

"Habituellement, l'espace libre disponible dans le cristal est ce que les ions utilisent pour entrer ou sortir de l'électrode, " Shahbazian-Yassar dit, expliquant que l'espace est comme une ville surpeuplée avec des rues étroites et les ions ressemblent aux voitures en mouvement. « S'il y a un accident, construction de route, ou simplement le trafic, les voitures ne peuvent pas facilement traverser les rues - un phénomène similaire se produit dans les batteries.

Les ions lithium ont besoin de routes larges et ouvertes pour entrer et sortir des électrodes de la batterie. Toute obstruction aux ions en mouvement réduira la quantité d'énergie ou de puissance extraite d'une batterie.

Prochaines étapes du stockage d'énergie

L'équipe de recherche a examiné les frontières jumelles dans les oxydes d'étain, mais Shahbazian-Yassar dit qu'il est applicable dans de nombreux matériaux de batterie. La prochaine étape consiste à découvrir comment optimiser ces défauts pour équilibrer l'intégrité mécanique avec la quantité de structures jumelles. Trouver cet équilibre sera au centre des prochaines étapes des chercheurs, et cette nouvelle découverte sur les frontières jumelles jette les bases de l'amélioration des batteries lithium-ion.