Исследование, проведенное профессорами материаловедения и инженерии Цянь Ченом и Цзянь-Мин Цзо, является первым, в котором нанесены на карту измененные домены внутри перезаряжаемых ионных батарей на наноуровне - разрешение в 10 и более раз больше по сравнению с современными рентгеновскими и оптическими методами.

Результаты исследования опубликованы в журнале Природные материалы.

Команда заявила, что предыдущие усилия по пониманию механизмов работы и отказа материалов батареи были в первую очередь сосредоточены на химическом эффекте циклов подзарядки, а именно на изменениях химического состава электродов батареи.

Новый метод электронной микроскопии, называемый четырехмерной сканирующей просвечивающей электронной микроскопией, позволяет команде использовать высокофокусированный зонд для сбора изображений внутренней работы батарей.

"Во время работы перезаряжаемых ионных батарей ионы диффундируют внутрь электродов и из них, вызывая механическую деформацию и иногда растрескивание", - сказал постдокторский исследователь и первый автор Вэньсян Чен. "Используя новый метод электронной микроскопии, мы впервые можем зафиксировать вызванные деформацией наноразмерные домены внутри материалов батареи".

Цянь Чен сказал, что эти типы преобразований микроструктурной неоднородности широко изучались в керамике и металлургии, но до этого исследования не использовались в материалах для накопления энергии.

"Метод 4D-STEM имеет решающее значение для отображения недоступных в противном случае вариаций кристалличности и ориентации доменов внутри материалов", - сказал Цзо.

Команда сравнила свои наблюдения 4D-STEM с компьютерным моделированием, проведенным профессором механики и инженерии Элифом Эртекином, чтобы выявить эти различия.

"Комбинированный анализ данных и данные 4D-STEM показывают закономерность процесса зарождения, роста и коалесценции внутри батарей по мере развития напряженных наноразмерных доменов", - сказал Цянь Чен. "Эти закономерности были дополнительно проверены с использованием данных рентгеновской дифракции, собранных профессором материаловедения и инженерии и соавтором исследования Дэниелом Шумейкером".

Цянь Чен планирует продолжить это исследование, создав фильмы об этом процессе - то, чем хорошо известна ее лаборатория.

"Влияние этого исследования может выйти за рамки изучаемой здесь системы многовалентных ионных аккумуляторов", - сказал Пол Браун, профессор материаловедения и инженерии, директор лаборатории исследования материалов и соавтор исследования. "Концепция, принципы и система разрешающих характеристик применимы к электродам в различных литий-ионных и пост-литий-ионных батареях и других электрохимических системах, включая топливные элементы, синаптические транзисторы и электрохромные элементы".

Исследователи из Иллинойса Эндрю Гевирт, химик; Хонг Янг, химик и биомолекулярный инженер; и исследователь Shell Райан Стивенс также участвовали в этом исследовании.