Pesquisadores do Centro Skoltech para Ciência e Tecnologia de Energia (CEST) visualizaram a formação de uma interfase de eletrólito sólido em materiais de eletrodo carbonáceo de grau de bateria usando microscopia de força atômica in situ (AFM). Isso ajudará os pesquisadores a projetar e construir baterias com maior desempenho e durabilidade.

Uma interfase de eletrólito sólido (SEI) é uma camada fina de produtos de redução de eletrólito formada na superfície de um ânodo de bateria de íon-lítio durante vários ciclos iniciais. Impede mais decomposição de eletrólitos, estabilizar a interface eletrodo / eletrólito, e garante uma longa duração da bateria. Formar um filme SEI leva tempo e energia, e sua qualidade governa amplamente o desempenho e a durabilidade da bateria:um SEI mal formado resulta em rápida degradação do desempenho da bateria.

Ainda, a formação de SEI permanece mal compreendida, e os cientistas usam microscopia de força atômica in situ, que permite a observação direta desse processo. Até agora, a maioria dessas medições foi realizada em grafite pirolítica altamente orientada (HOPG), uma forma de grafite muito pura e ordenada que possui uma superfície plana basal limpa e atomicamente plana. Contudo, HOPG é um substituto insatisfatório para materiais de eletrodo de classe de bateria reais, portanto, o processo é significativamente diferente do que acontece dentro de uma bateria comercial.

Uma equipe Skoltech liderada pelo cientista pesquisador Sergey Luchkin e o professor Keith Stevenson teve sucesso na visualização da formação SEI em materiais de tipo bateria. Por esta, eles tiveram que projetar uma célula eletroquímica que permitisse as medições necessárias para esta observação direta da formação SEI.

"Os materiais para bateria são pós, e visualizar processos dinâmicos em sua superfície por AFM, especialmente em um ambiente líquido, é desafiador. Um eletrodo de bateria padrão é muito áspero para tais medições, e as partículas isoladas tendem a se desprender do substrato durante a digitalização. Para superar esse problema, incorporamos as partículas em resina epóxi e fizemos uma seção transversal, então as partículas foram fixadas firmemente no substrato, "diz Luchkin.

Os pesquisadores descobriram que o SEI em materiais de tipo bateria nucleado em potencial diferente do HOPG. Também era mais de duas vezes mais espesso e mecanicamente mais resistente. Finalmente, eles foram capazes de demonstrar que o SEI era melhor vinculado à superfície áspera do grafite para bateria do que à superfície plana do HOPG.

"As investigações espacialmente resolvidas de interfaces de bateria e interfases detalhadas neste trabalho fornecem novos insights significativos sobre a estrutura e evolução do ânodo SEI. Portanto, eles fornecem diretrizes firmes para o projeto racional de eletrólitos para permitir baterias de alto desempenho com segurança aprimorada, "acrescenta Stevenson.