Zelfordening beschermt nanobatterij tegen interne stress

January 26th 2017

Onderzoekers van DIFFER en Stanford University hebben voor het eerst kunnen vastleggen hoe een nanobatterij zich oplaadt. Ze maakten een real-time filmpje van dit proces. Uit het unieke filmpje blijkt dat nanobatterijen niet beschadigen tijdens het opladen. In het vakblad Nature Communications laten Andrea Baldi (DIFFER) en zijn collega's zien hoe nanodeeltjes de interne stress vermijden die wel optreedt in bestaande batterijen. Het inzicht in deze mechanismen 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 interne stress zorgt voor beschadigingen en verkort de levensduur van het opslagmateriaal. Nanodeeltjes van hetzelfde opslagmateriaal zijn veel minder gevoelig voor zulke beschadigingen, maar het precieze mechanisme was nog niet bekend. Met real-time opnames van het oplaadgedrag hebben fysicus Baldi, Groepsleider Nanomaterials for Energy Applications bij DIFFER en zijn collega's het raadsel van de nanobatterijen opgehelderd.  

Geordende fronten

De onderzoekers bekeken met een elektronenmicroscoop het binnendringen van waterstofatomen in minuscule kubusjes palladium van een paar nanometer groot, eenmodelsysteem 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 palladium kubus. 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 materiaal, 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 in 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

Contact

Dr. Andrea Baldi
Groepsleider Nanomaterials for Energy Applications, DIFFER
+31 40 3334 925  |  a [368] baldi [28] differ [368] nl (email)
http://www.differ.nl/research/nea

Publicatie

Direct visualisation of hydrogen absorption dynamics in individual palladium nanoparticles
Tarun C. Narayan, Fariah Hayee, Andrea Baldi, Ai Leen Koh, Robert Sinclair & Jennifer A. Dionne
Nature Communications 8, Article number: 14020 (2017)
doi:10.1038/ncomms14020