Sandia Riiklike Laboratooriumite(Sandia National Laboratories) teadlane Jian Yu Huang koos kolleegidega valmistasid maailma väikseima patarei esmaversiooni. Selle anoodiks on kõigest üks nanojuhe, mille paksus on vaid üks seitsmetuhandik inimese juuksekarva omast.
Anoodi omaduste paremaks uurimiseks, valmistati pisike korduvlaetav liitium-ioon patarei läbivkiirguse elektronmikroskoobi sisse. ,,Selle eksperimendi abil saame uurida patarei laadimist ja tühjakslaadimist reaalajas ning aatomskaalalise resolutsiooniga, nii suurendame enda arusaama patarei tööpõhimõttest,” sõnas Huang.
Et nanojuhtmetepõhistel materjalidel liitium-ioon patareides on võrreldes tavaliste elektroodidega potentsiaali patareide võimsust ja energiatihendust suurendada, aitaks nende tööomaduste täpsem uurimine kaasa ka hübriid-elektriautode, sülearvutite ja mobiiltelefonide uute generatsioonide täiustamisel, kirjutab sciencedaily.com.
Medusa moonutus: varemavastamata nähtus, kus nanopatarei anood pikeneb ja paindub. Pilt: DOE Center for Integrated Nanotechnologies
,,Meid motiveeris seda uurimust läbi viima liitium-ioon patareide tähtsus erinevates rakendustes. Siiski ei vasta praegused patareid enda võimsuse ja energiatiheduse juures turu nõuetele. Et nende tööomadusi parandada, otsustasime neid läbinisti uurida. Arvasime, et parim viis seda teha on kasutada läbivkiirguse elektronmikroskoopiat,” selgitas Huang.
Patareisid uurivad teadlased kasutavad küll nanomaterjale anoodidena, kuid teevad seda pigem hulgi kui üksikult. Huangi sõnul sarnaneb see protsess ,,metsa jälgimisele, kuigi tahetakse mõista üksiku puu käitumist.”
Huangi ja kolleegide valmistatud pisike patarei koosneb vedelast ioon-elektrolüüdist ja üksikust tinaoksiidist nanojuhtme anoodist, mille diameeter on 100 nanomeetrit ning pikkus 10 mikromeetrit. Seadme abil saab otseselt jälgida laadimise ja tühjenemise ajal asetleidvate aatomstruktuuri muutusi.
Üllatavaks leiuks osutus fakt, et laadimise ajal tinaoksiidist nanojuhtme pikkus pea kahekordistub, varem arvati aga, et suureneb hoopiski diameeter. Selle teadmise abil saaks ära hoida lühiste teket, mis patareide eluiga tunduvalt vähendavad. ,,Tootjad peaksid sellist pikenemist oma patareide ülesehituses arvesse võtma,” leidis Huang.
Teadlased avastasid selle muutuse jälgides liitiumi ioone, kui need mööda nanojuhet liikusid ning tekitasid nn. ,,Medusa frondi”- ala, kus liikuvate dislokatsioonide suur tihedus põhjustab nanojuhtmete paindumise ja väänlemise. Dislokatsioonide võrgustiku põhjustab liitiumi sisenemine kristallstruktuuri. ,,Need teadmised tõestavad, et nanojuhtmed suudavad ilma purunemata vastu panna liitiumist põhjustatud suurele tõmbepingele(>10 GPa). Seetõttu on nanojuhtmed patarei elektroodideks head kandidaadid,” arvas Huang.
,,Meid esialgu üllatanud vaatlus peaks patareide tootjatele ütlema kuidas need dislokatsioonid tekivad, kuidas nad laadimise ajal edasi arenevad ning pakkuma viise, kuidas nende tagajärgi leevendada,” sõnas ta. ,,Kunagi varem ei ole patarei laadimise ajal toimuvat nii lähedalt jälgitud.”
Liitiumi poolt tekitatud ruumala suurenemine, plastsus ning elektroodi materjali pulbriks muutumine on suure mahtuvuseda liitium-ioon patareide anoodide puhul suurimateks tööomadusi ja eluiga vähendavateks faktoriteks. ,,Meie uurimustööl on seetõttu oluline koht suure energiatihedusega patareide paremaks muutmisel ning tõrgete ärahoidmisel,” lisas ta.
Töös kasutati ligikaudu pikoampri suurust voolu ning 3,5 Voldi suurust pingeerinevust nanojuhtme otstel.
Kuigi uurimus viidi läbi tinaoksiid-nanojuhtmetega saab tulemusi laiendada ka teistele materjalisüsteemidele, seda siis kas katoodi või anoodi uurimustele.
Teadusartikkel “In Situ Observation of the Electrochemical Lithiation of a Single SnO2Nanowire Electrode“