Som billederne i denne video viser, bliver batterier ødelagt af for mange genopladninger.
Optagelserne er de første af deres art og er foretaget af et forskerhold ledet af Yu Jian Huang ved Sandia National Laboratories i USA.
De viser, hvordan nanotrådelektroden i batteriet forandrer sig:
Ved forsøgets start var trådens tværsnit omkring 100 nanometer, eller ti tusindedele af en millimeter.
Men da opladningen startede, og der begyndte at strømme ladede litiumatomer til elektroden, svulmede nanotråden op og blev tykkere.
Medusa-fronten
På videoen kan man se, hvordan litiumatomerne ‘pumper’ sig selv op langs tråden.
Forskerne kalder den vækstzone ‘Medusa-fronten’, efter kvindemonsteret med slangehår fra den græske mytologi.
Medusas blik kunne forvandle mennesker til sten, og Medusa-zonen forvandler også nanotråden, der bugter og vrider sig og vokser sig næsten dobbelt så lang under opladningen.
Fra at være en velordnet krystal bliver den til et glasagtigt materiale med uregelmæssig struktur. Det har man aldrig observeret før.
Speciallavet batteri
Forvandlingen kan forklare, hvorfor denne type batterier bliver slidt op med tiden, beskrives det i en pressemeddelelse fra tidsskriftet Science, der offentliggjorde undersøgelsen.
Det batteri, som Huang anvendte, var dog speciallavet til forsøget. I typiske litium-ionbatterier er der ingen nanotråd. Her er elektroden lavet af grafit eller andet materiale. Men alligevel er omdannelsen af materialet, der udgør elektroden, i princippet den samme.
Almindelige litium-ionbatterier har nemlig det problem, at elektrodematerialet svulmer op og pulveriseres ved opladning. Det ødelægger langsomt elektroden.
»Vores observationer har stor betydning for batteridesign og for arbejdet mod at mindske batterifejl,« siger Jian Yu Huang til Science.
Bedre og mindre batterier
Men den lillebitte elektrode af nanotråd kan også være udgangspunktet for en ny generation af batterier.
Ifølge en kommentarartikel af Yet-Ming Chiang i Science kan denne type batterier i princippet opnå en 10 til 30 gange højere kapacitet i forhold til deres vægt, sammenlignet med nutidens litium-ionbatterier.
Omdannelsen af det materiale, der ødelægger elektroderne i de konventionelle litium-ionbatterier, er heller ikke lige så ødelæggende i en nanotråd. De vil være mere holdbare, fordi de kan udvide sig uden at briste.
Batterier med nanotråde kan også gøres meget små, og vil i fremtiden kunne blive brugt i nanorobotter, foreslår Huang i sin artikel i Science.
Tinoxid
Nanotråden er fremstillet af materialet tinoxid. Det har en god evne til at tage imod ladning, men kan kun oplades én gang. Det er derfor meget lidt aktuelt som materiale i kommercielle batterier.
Men tinoxiden gennemgår særligt dramatiske forandringer under opladning.
Det var derfor, Huang og hans kolleger valgte dette materiale til forsøget. De håber nu, at de ændringer, de har set, kan overføres til andre materialer.
© forskning.no. Oversat af Mette Damsgaard
