A interface do ânodo sólido e do eletrólito líquido desempenha um papel crucial no desempenho de uma bateria de metal de lítio, mas caracterizar os processos que acontecem nessa intersecção tem sido um desafio.

Para estudar a superfície do ânodo, geralmente o eletrólito líquido é removido e a superfície é lavada e seca antes da análise. Mas essa lavagem e secagem mudam fundamentalmente a estrutura e a química da interface; para obter uma imagem precisa da interface, deve ser visto em seu estado natural.

Pesquisadores do laboratório de Lena Kourkoutis, professor assistente de física aplicada e engenharia, desenvolveram e demonstraram uma técnica para visualização direta de interfaces sólido-líquido em um esforço para entender melhor um grande problema com baterias de metal de lítio:crescimento de dendrito no ânodo, que pode causar curto-circuito e, em casos extremos, falha catastrófica da bateria.

Michael Zachman, Ph.D. '18, um membro do laboratório Kourkoutis, é o autor principal de "Cryo-STEM Mapping of Solid-Liquid Interfaces and Dendrites in Li-Metal Batteries, "que será publicado em 16 de agosto em Natureza .

As principais contribuições foram feitas pelo laboratório de Lynden Archer, a James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. Zhengyuan Tu, Ph.D. '17, e Snehashis Choudhury, Ph.D. '18, ambos do grupo Archer, construiu e analisou o desempenho das baterias utilizadas no estudo.

O método desenvolvido pelo laboratório de Kourkoutis envolve o congelamento rápido do eletrólito no eletrodo, e um conjunto de técnicas de microscopia criogênica para analisar a morfologia, informações químicas e estruturais na interface sólido-líquido. Este trabalho tem implicações para sistemas muito além do armazenamento de energia, dizem os pesquisadores.

"A técnica que desenvolvemos realmente apenas nos permite ter uma visão sem distorções do que está acontecendo nessas interfaces muito complexas, "Kourkoutis disse." E isso é fundamental para entender não apenas aquela interface específica, mas também as implicações das reações ou processos que ocorrem. "

Kourkoutis disse que este trabalho foi inspirado por sua experiência em um laboratório de biologia no Instituto Max Planck, na Alemanha, onde ela usou um método chamado cryo-FIB (feixe de íons focado) para observar os processos dentro das células. Em Cornell, seu grupo adaptou crio-FIB para interfaces sólido-líquido e combinou-o com crio-STEM (microscopia eletrônica de transmissão de varredura) para acessar a estrutura intacta de dendritos em nanoescala.

Para este trabalho, baterias de célula tipo moeda foram abertas e o eletrodo imediatamente mergulhado em um criogênio para congelar rapidamente e preservar a estrutura. Zachman, que preparou as amostras e realizou os experimentos, descobriram dois tipos distintos de dendritos na superfície do ânodo:o tipo I era relativamente grande (aproximadamente 5 mícrons de diâmetro) com baixa curvatura; o tipo II tinha centenas de nanômetros de espessura e tortuosos.

Além disso, os dendritos do tipo I exibiam uma interfase de eletrólito sólido estendida (SEI) - uma camada macia considerada um precursor do crescimento de dendritos - com aproximadamente 300 a 500 nanômetros de espessura, muito maior do que foi observado anteriormente. A descoberta desta camada - que o estudo sugere que é perdida principalmente durante a lavagem e secagem necessária na análise tradicional - sinaliza que mais lítio é irreversivelmente perdido para a camada SEI do que se pensava anteriormente.

A técnica do grupo também revelou que os dendritos do tipo II eram compostos por hidreto de lítio. "Apenas dendritos compostos de metal de lítio foram considerados como estando em baterias, "Zachman disse, "e agora vemos que também existem dendritos de hidreto de lítio presentes, e devem ter efeitos significativos no desempenho da bateria. "

Archer disse que essas descobertas devem ajudar a fornecer "pistas importantes sobre como alguém pode abordar o projeto químico de eletrólitos de bateria".

A colaboração entre os grupos Kourkoutis e Archer resultou de uma proposta conjunta escrita para garantir US $ 2,7 milhões da National Science Foundation para obter o microscópio eletrônico de transmissão de varredura usado nesta pesquisa.

"Esta é uma demonstração notável do legado de colaborações radicais que definiram a pesquisa da ciência dos materiais em Cornell, e que diferenciam Cornell de seus pares como o lugar para fazer esse trabalho, "Archer disse.