Semasa ion litium mengalir masuk dan keluar dari elektrod bateri semasa pengisian dan pengosongan, sedikit oksigen meresap keluar dan bateri voltan- ukuran berapa banyak tenaga yang dihasilkannya - memudar sedikit sebanyak. Kerugian meningkat dari masa ke masa, dan akhirnya dapat mengurangkan kapasiti penyimpanan tenaga bateri sebanyak 10-15%.
Kini para penyelidik telah mengukur proses super lambat ini dengan perincian yang belum pernah terjadi sebelumnya, menunjukkan bagaimana lubang, atau kekosongan, yang ditinggalkan dengan melepaskan atom oksigen mengubah struktur dan kimia elektrod dan secara beransur-ansur mengurangkan berapa banyak tenaga yang dapat disimpannya.
Hasilnya bertentangan dengan beberapa anggapan yang dibuat oleh para saintis mengenai proses ini dan dapat mencadangkan kaedah baru untuk membuat elektrod kejuruteraan untuk mencegahnya.
Para penyelidik dapat mengukur tahap oksigen yang sangat kecil yang keluar, dengan perlahan sekali, selama beratus-ratus kitaran. Penyelidik dari Stanford yang mengusahakan eksperimen dengan pasukan penyelidik. Berkata "Fakta bahawa ia sangat lambat juga yang sukar dikesan."
Kerusi goyang dua hala
Bateri ion litium berfungsi seperti kerusi goyang, menggerakkan ion litium bolak-balik antara dua elektrod yang menyimpan cas buat sementara waktu. Sebaik-baiknya, ion-ion tersebut adalah satu-satunya benda yang bergerak masuk dan keluar dari berbilion nanopartikel yang membentuk setiap elektrod. Tetapi para penyelidik telah mengetahui sejak sekian lama bahawa atom oksigen keluar dari zarah-zarah ketika litium bergerak berulang-alik. Perinciannya sukar dijelaskan kerana isyarat dari kebocoran ini terlalu kecil untuk diukur secara langsung.
"Jumlah kebocoran oksigen, lebih dari 500 kitaran pengisian dan pengosongan bateri, adalah 6%," kata Penyelidik. "Itu bukan sebilangan kecil, tetapi jika anda cuba mengukur jumlah oksigen yang keluar dalam setiap kitaran, itu kira-kira seperseratus persen."
Dalam kajian ini, penyelidik mengukur kebocoran secara tidak langsung sebaliknya, dengan melihat bagaimana kehilangan oksigen mengubah kimia dan struktur zarah. Mereka mengesan proses pada skala panjang — dari nanopartikel terkecil hingga gumpalan nanopartikel hingga ketebalan penuh elektrod.
Kerana sangat sukar bagi atom oksigen untuk bergerak dalam bahan pepejal pada suhu di mana bateri beroperasi, kebijaksanaan konvensional adalah bahawa kebocoran oksigen hanya datang dari permukaan nanopartikel, kata Penyelidik, walaupun ini masih belum diperdebatkan.
Untuk melihat dengan lebih dekat apa yang berlaku, pasukan penyelidik mengitar bateri untuk jangka masa yang berlainan, membelahnya, dan memotong nanopartikel elektrod untuk pemeriksaan terperinci di Sumber Cahaya Lanjutan Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley. Di sana, mikroskop sinar-X khusus mengimbas sampel, membuat gambar beresolusi tinggi dan memeriksa susunan kimia setiap titik kecil. Maklumat ini digabungkan dengan teknik komputasi yang disebut ptychography untuk mendedahkan butiran skala nano, diukur dalam satu bilion meter.
Sementara itu, di Sumber Cahaya Stanford Synchrotron SLAC, pasukan menembak sinar-X melalui seluruh elektrod untuk mengesahkan bahawa apa yang mereka lihat pada tahap skala nano juga berlaku pada skala yang jauh lebih besar.
Satu letupan, kemudian satu tetakan
Membandingkan hasil eksperimen dengan model komputer bagaimana kehilangan oksigen mungkin berlaku, pasukan menyimpulkan bahawa ledakan oksigen awal keluar dari permukaan zarah, diikuti dengan tetesan yang sangat perlahan dari pedalaman. Di mana nanopartikel bergumpal bersama untuk membentuk gumpalan yang lebih besar, yang berhampiran pusat gumpalan kehilangan lebih sedikit oksigen daripada yang berada di permukaan.
Soalan penting lain, kata Penyelidik, adalah bagaimana kehilangan atom oksigen mempengaruhi bahan yang mereka tinggalkan. "Itu sebenarnya misteri besar," katanya. "Bayangkan atom dalam nanopartikel seperti sfera yang rapat. Sekiranya anda terus mengeluarkan atom oksigen, semuanya akan runtuh dan padat, kerana strukturnya suka dikemas rapat. "
Oleh kerana aspek struktur elektrod ini tidak dapat digambarkan secara langsung, para saintis sekali lagi membandingkan jenis pemerhatian eksperimen lain dengan model komputer dari pelbagai senario kehilangan oksigen. Hasilnya menunjukkan bahawa kekosongan itu tetap ada - bahan tidak runtuh dan padat - dan menunjukkan bagaimana mereka menyumbang kepada penurunan baterai secara beransur-ansur.
“Ketika oksigen keluar, atom mangan, nikel dan kobalt berpindah. Semua atom menari dari posisi ideal mereka, ”kata Penyelidik. "Penyusunan semula ion logam ini, bersama dengan perubahan kimia yang disebabkan oleh kehilangan oksigen, menurunkan voltan dan kecekapan bateri dari masa ke masa. Orang sudah lama mengetahui aspek fenomena ini, tetapi mekanisme itu tidak jelas. "
Sekarang, dia berkata, "kita mempunyai pemahaman ilmiah, bawah-atas" mengenai sumber penting ini bateri degradasi, yang boleh menyebabkan cara baru untuk mengurangkan kehilangan oksigen dan kesannya yang merosakkan.