Ett team av kemister under ledning av Feng Lin och Louis Madsen har hittat ett sätt att se in i batteriets gränssnitt, som är trånga och knepiga ställen djupt inne i cellen. Forskningsresultaten publicerades i tidskriften Nature Nanotechnology.
”Det finns stora och långvariga utmaningar vid gränssnitten”, säger Jungki Min, doktorand i kemi och studiens försteförfattare. ”Vi försöker alltid att få bättre kontroll över dessa begravda ytor.”
Teamets upptäckt av en ny bildteknik som gjorde det möjligt för dem att titta in i ett fungerande batteri skedde av en slump. De tittade ursprungligen på en ny formulering av elektrolytmaterial.
Den bästa batterismeten
Elektrolyten, som är placerad mellan den negativa och den positiva elektroden, är den fyllning som transporterar laddade partiklar, så kallade joner, fram och tillbaka för att ladda och ladda ur ett batteri.
Elektrolyter har många möjliga kombinationer av komponenter som innefattar salter, lösningsmedel och tillsatser. De kan vara flytande, fasta, gelliknande eller till och med flerfasiga, vilket innebär att materialet kan skifta från styvt till flexibelt beroende på förhållandena.
Men vilket är det bästa materialet att använda för den kritiska uppgiften att transportera laddning?
Det är en av de stora frågorna inom vetenskapen just nu, och det är nyckeln till att utveckla högenergibatterier med längre livslängd som kan vara stabila vid extrema temperaturer- alla viktiga egenskaper för nästa generations elbilar, elektriska apparater och andra batteridrivna tekniker som artificiell intelligens.
Vart energin tar vägen för att försvinna
För att besvara denna fråga har Lin och Madsen tittat på något som kallas en flerfasig polymerelektrolyt, som har potential att lagra mer energi i ett batteri av samma storlek, samtidigt som den är säkrare och billigare än konventionella batterier.
Madsens laboratorium upptäckte en flerfasig elektrolyt, en så kallad molekylär jonkomposit, 2015. Madsens och Lins forskargrupper har arbetat tillsammans för att bygga litium- och natriumbatterier baserade på denna formulering, och de har gjort ständiga förbättringar.
Men det finns några förbehåll: Batterierna plågas av konstiga utväxter och olämpliga beteenden som uppstår där elektrolyten och elektroderna möts vid batteriernas Bermudatriangel, gränsytorna.
Insikt vid gränssnitten
För att få en glimt av vad som orsakade det spretiga gränssnittsbeteendet gjorde Min många resor till Brookhaven National Laboratory under de senaste åren.
Brookhavens röntgenstrålningslinje med hög energi används flitigt för att analysera saker som meteoriter och svampar. Men ingen hade någonsin använt den för att titta på polymerelektrolyter.
Det som forskarna fann, i kombination med resultat från andra bildtekniker, gjorde att de kunde lokalisera källan till problemen: En del av det arkitektoniska stödsystemet försämrades när batteriet cyklade, vilket ledde till ett slutligt fel.
Men det är mer än bara en enkel diagnos.
I fortsättningen kan forskarna använda den här tekniken för att äntligen se både den komplicerade strukturen och de kemiska reaktionerna i de begravda gränssnitten.
”Det här har varit ett fantastiskt samarbete mellan flera forskningslaboratorier över hela landet”, säger Lin, som är Leo and Melva Harris Faculty Fellow. ”Vi har nu en bra mekanistisk bild som kan vägleda oss till en bättre design av gränssnitt och interfaser i batterier av fasta polymerer.”
För mer information: Undersökning av effekten av heterogeniteter över elektroden|multifas polymerelektrolytgränssnitt i litiumbatterier med hög potential, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01885-5
