As baterias de íon-lítio são amplamente utilizadas em eletrônicos domésticos e agora estão sendo usadas para fornecer energia a veículos elétricos e armazenar energia para a rede elétrica. Mas o número limitado de ciclos de recarga e a tendência de degradar a capacidade ao longo de sua vida útil estimularam muitas pesquisas para o aprimoramento da tecnologia.

Uma equipe internacional liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) usou técnicas avançadas de microscopia eletrônica para mostrar como a proporção de materiais que compõem um eletrodo de bateria de íon-lítio afeta sua estrutura em nível atômico. e como a superfície é muito diferente do resto do material. O trabalho foi publicado na revista Energia e Ciência Ambiental .

Saber como a estrutura interna e superficial de um material de bateria muda em uma ampla gama de composições químicas ajudará em estudos futuros sobre as transformações catódicas e também pode levar ao desenvolvimento de novos materiais de bateria.

"Esta descoberta pode mudar a forma como olhamos para as transformações de fase dentro do cátodo e a perda de capacidade resultante nesta classe de material, "disse Alpesh Khushalchand Shukla, um cientista da Fundição Molecular do Berkeley Lab, e principal autor do estudo. “Nosso trabalho mostra que é extremamente importante caracterizar completamente um novo material em seu estado original, bem como depois de andar de bicicleta, para evitar interpretações erradas. "

Trabalhos anteriores de pesquisadores da Molecular Foundry, um centro de pesquisa especializado em ciência em nanoescala, revelou a estrutura de materiais catódicos contendo "excesso" de lítio, resolver um debate antigo.

Usando um conjunto de microscópios eletrônicos no National Center for Electron Microscopy (NCEM), uma instalação de fundição molecular, e no SuperSTEM, o Centro de Pesquisa Nacional para Microscopia Eletrônica Avançada em Daresbury, REINO UNIDO., a equipe de pesquisa descobriu que, embora os átomos em todo o interior do material catódico permanecessem no mesmo padrão estrutural em todas as composições, diminuir a quantidade de lítio causou um aumento na aleatoriedade na posição de certos átomos dentro da estrutura.

Ao comparar diferentes composições de material catódico com o desempenho da bateria, os pesquisadores também demonstraram que era possível otimizar o desempenho da bateria em relação à capacidade usando uma proporção menor de lítio para outros metais.

A descoberta mais surpreendente foi que a estrutura da superfície de um cátodo não usado é muito diferente do interior do cátodo. Uma fina camada de material na superfície possuindo uma estrutura diferente, chamada de fase "espinélio", foi encontrado em todos os seus experimentos. Vários estudos anteriores negligenciaram que essa camada pode estar presente tanto em catodos novos quanto usados.

Variando sistematicamente a proporção de lítio para um metal de transição, como tentar diferentes quantidades de ingredientes em uma nova receita de biscoito, a equipe de pesquisa foi capaz de estudar a relação entre a superfície e a estrutura interna e medir o desempenho eletroquímico do material. A equipe obteve imagens de cada lote de materiais catódicos de vários ângulos e criou Renderizações 3D de cada estrutura.

"Obtendo tão preciso, informações de nível atômico em escalas de comprimento relevantes para tecnologias de bateria foram um desafio, "disse Quentin Ramasse, Diretor do Laboratório SuperSTEM. "Este é um exemplo perfeito de porque as múltiplas técnicas de imagem e espectroscopia disponíveis na microscopia eletrônica a tornam uma ferramenta tão indispensável e versátil na pesquisa de energia renovável."

Os pesquisadores também usaram uma técnica recentemente desenvolvida chamada microscopia eletrônica de transmissão de varredura 4-D (4-D STEM). Em microscopia eletrônica de transmissão (TEM), as imagens são formadas depois que os elétrons passam por uma amostra fina. Na microscopia de eletrodo de transmissão de varredura convencional (STEM), o feixe de elétrons é focado em um ponto muito pequeno (tão pequeno quanto 0,5 nanômetro, ou bilionésimos de um metro, de diâmetro) e, em seguida, esse ponto é varrido para a frente e para trás sobre a amostra, como um cortador em um gramado.

O detector no STEM convencional simplesmente conta quantos elétrons estão espalhados (ou não) em cada pixel. Contudo, em 4D-STEM, os pesquisadores usam um detector de elétrons de alta velocidade para registrar onde cada elétron se espalha, de cada ponto escaneado. Ele permite aos pesquisadores medir a estrutura local de sua amostra em alta resolução em um grande campo de visão.

"A introdução de câmeras de elétrons de alta velocidade nos permite extrair informações em escala atômica de dimensões de amostra muito grandes, "disse Colin Ophus, um cientista pesquisador do NCEM. "Os experimentos 4D-STEM significam que não precisamos mais fazer uma troca entre os menores recursos que podemos resolver e o campo de visão que estamos observando - podemos analisar a estrutura atômica de toda a partícula de uma só vez."