p (Phys.org) - começando com alguns átomos de comprimento, espinhos se formando na superfície do eletrodo em uma bateria de lítio especializada fazem com que a bateria desapareça gradualmente, de acordo com cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e do Argonne National Laboratory. Trabalhando com tecnologias de imagem poderosas no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais (EMSL) do DOE, a equipe determinou que uma espécie de espinho com a estrutura cristalográfica espinélica cresce fora do material do eletrodo e, eventualmente, leva à conversão completa de todo o material do eletrodo na estrutura espinélica. Além disso, o crescimento desta estrutura espinélica libera moléculas de óxido de lítio, causando rachaduras e corrosão. O eletrodo danificado, assim, desaparece, liberando menos energia com cada ciclo de carga / descarga. p "As mudanças na estrutura são bastante sutis após cada carga / descarga cíclica da bateria, "disse o Dr. Chongmin Wang, um pesquisador do PNNL que conduziu o estudo. "Imagens de nível atômico fornecem a oportunidade de obter uma imagem fundamental de como esse tipo de mudança sutil evolui."

p Aumentar a independência de nossa nação dos combustíveis fósseis para nossa frota de transporte requer armazenamento de energia. Um composto em camadas rico em lítio poderia aumentar a densidade de energia das baterias em mais de 50 por cento. Contudo, a bateria enfraquece. Com o uso repetido, a voltagem e a quantidade de energia que pode ser armazenada de forma reversível e liberada diminuem gradualmente. A causa é uma mudança ou transformação no composto, mas como e onde as transformações ou transições de fase ocorrem estava em debate. Ao obter e analisar imagens de resolução atômica do eletrodo da bateria antes e depois do uso, a equipe respondeu às perguntas.

p "Essas descobertas e os estudos subsequentes são essenciais para as aplicações, incluindo armazenamento de energia e veículos elétricos, "disse o Dr. Jun Liu, um jogador-chave no Joint Center for Energy Storage Research e um cientista de materiais PNNL no estudo.

p A equipe começou com eletrodos de bateria de lítio em camadas, onde as camadas têm apenas um único átomo de espessura. O material foi sintetizado em Argonne, onde foi inventado há vários anos. A equipe de pesquisa usou um novo espectrômetro dispersivo de energia (EDS) e um poderoso microscópio eletrônico de transmissão de varredura para obter informações detalhadas sobre a composição química e a estrutura atômica dos materiais do eletrodo. A FEI Company, em Hillsboro, Oregon, fornecido o EDS. A empresa estava procurando exemplos notáveis ​​para mostrar o poder de seus instrumentos. Usando o espectrômetro EDS, a equipe identificou inomogeneidade química e sua correlação com as mudanças de fase que ocorreram no material.

p A equipe usou um novo microscópio eletrônico localizado no EMSL para obter imagens de resolução atômica. "O trabalho de alta resolução é uma pesquisa de imagem de ponta, "disse o Dr. Nigel Browning, Cientista-chefe em Microscopia da Chemical Imaging Initiative do PNNL e pesquisador deste estudo. "É uma aplicação fantástica de técnicas de microscopia de resolução atômica, e confirma que a formação do espinélio pode ser responsável pela origem do desvanecimento da voltagem, determinando a localização exata do espinélio, e como toda a estrutura se fragmenta à medida que as espinelas são formadas. "

p Muitas pessoas neste projeto estão trabalhando para encontrar novas maneiras de sintetizar e estabilizar os materiais da bateria de lítio em camadas. "Estamos trabalhando como uma equipe para levar isso para o próximo nível - imagens in situ. Queremos ver as mudanças no nível atômico à medida que ocorrem, "disse Wang.