Effektivare batteriladdning med nanoteknik

Det idealiska systemet för energi- eller informmationslagring är ett som kan laddas och urladdas snabbt, har hög kapacitet och varar för evigt. Nanomaterialen är lovande för att uppnå dessa kriterier men forskarna är bara i början av att förstå dessa materials utmanande mekanismer, enligt Stanford University.

Nanokuber i palladium sett från ett transmissionselektronmikroskop (TEM).
Varje svart prick är en palladiumatom.ach black dot is a palladium.
(Foto: Dionne Group)

Nu har ett team materialforskare och ingenjörer vid Stanford kommit till nya insikter i mekanismerna kring nanomaterial som skulle kunna underlätta utveckling av för bättre batterier och minnesenheter.

Ett team, som leds av Jennifer Dionne, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford, har studerat hur metalliska nanopartiklar, som består av palladium, absorberar och frigör väteatomer.

Tidigare har forskare studerat väteabsorption i sammansatta metalliska nanopartiklar, men detta tillvägagångssätt har gjort det svårt att dra slutsatser och information om hur de enskilda nanopartiklarna beter sig. Den nya studien visar på detta beteende genom att mäta halten väte i enskilda nanoartiklar av palladium som utsätts för ett ökande tryck med vätgas.

Gruppens experimentella resultat överensstämmer med en mekanism som nyligen föreslagits för energilagring i litiumjonbatterier. Arbetet beskrivs på nätet i tidskriften Nature Materials.

Fyndet möjliggjordes genom att använda ett specialiserat transmissionselektronmikroskop (TEM) med vars hjälp teamet kunde, med en upplösning nära en atomär skala, upptäcka den process genom vilken vätgas tränger in i nanomaterial.

”Elektronmikroskopi ska normalt utföras under kraftigt vakuum”, säger medförfattaren Ai Leen Koh, en forskare vid Stanford Nano Shared Facilities. ”Men de unika möjligheterna i Stanfords TEM-miljö undanröjer detta krav, vilket möjliggör studier av enskilda nanopartiklar både i vakuum och samtidigt fördjupa dig kring en reaktiv gas.”

Töjbar metall

Forskarna syntetiserade nanocuber i palladium och spridde ut dem över ett mycket tunt membran. Efter att membranet placerats i TEM-miljön kunde ingenjörerna låta vätgas flöda förbi palladiumnanopartiklarna och gradvis öka trycket.

Vid tillräckligt högt vätetryck kunde gasmolekylerna dissocieras på ytan av nanocuberna och enskilda väteatomer kunde tränga in i utrymmena mellan palladiumkristallerna. Intressant var att processerna för absorption och desorption verkar ske ganska snabbt.

”Man kan tänka på det som på popcorn”, säger medförfattare Tarun Narayan, doktorand i Dionnes grupp. ”Det är en mycket binär process som har en ganska skarp övergång. Antingen befinner sig vätet inuti palladiumet eller inte, och vätet tränger in i och lämnar materialet vid förutsägbart tryck. Och det är ganska viktigt för ett bra energilagringssystem.”

När väte träder in i nanustrukturen i palladium ökar materialets volym med ungefär 10 procent. Denna expansion förändrar avsevärt det sätt på vilket partikeln växelverkar med elektronstrålen; denna förändring anger mängden väte som absorberats. Eftersom nanocuber är enkelkristallina och effektivt ”obundna” från membranet kunde forskarna studera och mäta mekanismen i en oöverträffad detaljrikedom, med avseende på lagringen.

”Du måste töja palladium för att placera vätgasen inuti materialet och du får då ”betala” energi för att göra den här töjningen”, säger Andrea Baldi, postdoktor i Dionnes grupp. ”Att veta vad ”kostnaden” blir är mycket viktigt för alla batterikonstruktörer och eftersom våra nanostrukturer inte är limmade på ett underlag kan vi kvantifiera denna töjning mer exakt än någonsin tidigare.”

Palladiumsfärer

Trots den stress som uppstår av upprepad expansioner och kontraktioner har nanokristallerna i palladiumet inte skadats av väteabsorptionen och desorptionen som vanligen sker i större prover.

”På nanonivå beter sig material helt annorlunda än vad de gör i bulkiga material”, säger Dionne. ”Nanomaterialets utökade ytarea i förhållande till volymen kan avsevärt påverka dess mekaniska flexibilitet och därmed deras förmåga att ladda upp och ladda ur joner eller atomer.”

Speciellt tyder denna forskning på att nanopartiklar lättare kan laddas – och det vid mycket lägre tryck än för bulkmaterial. Dessutom, och eftersom materialet har en högre motståndskraft mot elastisk spänning, kan bildandet av defekter i dessa material undertryckas.

”Våra resultat tyder på att partiklar i den här storleksordningen inte utvecklar defekter även om de laddas och laddas ur med väte flera gånger”, säger Narayan. ”Även andra forskare börjar upptäcka detta i forskningen kring litiumjonbatterier och vi tror att mycket av det vi lärt oss kan tillämpas på deras forskning.”

På grund av den snabba lagringshastigheten, stabiliteten och enkelheten vid laddning av palladium med väte, är det ett utmärkt modellsystem för att studera generella energi- och informationslagringsmekanismer. Palladium är dock inte ett troligt material för utbredd energilagring – det är för tungt och dyrt. Men forskarna tror att resultaten kan upprepas med andra typer av system som innebär att lagra väte i metaller.

Nästa steg inbegriper att tillämpa den nyutvecklade singelpartikel-metoden på ett brett utbud av nanostrukturer – sfärer och stavar, till exempel för att studera hur lagringen kan påverkas av form, storlek och kristalliniteten på en nanopartikel. Dessutom planerar de att använda elektronmikroskop för att bestämma exakt var atomer eller joner företrädesvis absorberas i en enda nanopartikel.