p (PhysOrg.com) - À medida que as indústrias e consumidores buscam cada vez mais fontes de energia de bateria melhores, a microscopia de ponta realizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia está fornecendo uma perspectiva sem precedentes sobre como as baterias de íon-lítio funcionam. p Uma equipe de pesquisa liderada por Nina Balke do ORNL, Stephen Jesse e Sergei Kalinin desenvolveram um novo tipo de microscopia de sonda de varredura chamada microscopia de tensão eletroquímica (ESM) para examinar o movimento dos íons de lítio através do material do cátodo de uma bateria. A pesquisa, "Mapeamento em nanoescala da difusão de íons em um cátodo de bateria de íons de lítio" (Balke et al.), é publicado em Nature Nanotechnology .

p "Podemos fornecer uma imagem detalhada do movimento iônico em volumes nanométricos, que excede as técnicas eletroquímicas de ponta em seis a sete ordens de magnitude, "Disse Kalinin. Os pesquisadores alcançaram os resultados aplicando voltagem com uma sonda ESM à superfície do cátodo em camadas da bateria. Medindo a tensão eletroquímica correspondente, ou mudança de volume, a equipe foi capaz de visualizar como os íons de lítio fluíram através do material. Técnicas eletroquímicas convencionais, que analisam a corrente elétrica em vez de tensão, não funcionam em um nível de nanoescala porque as correntes eletroquímicas são muito pequenas para serem medidas, Kalinin explicou.

p "Estas são as primeiras medidas, para nosso conhecimento, do fluxo de íons de lítio nesta resolução espacial, "Kalinin disse.

p Baterias de íon-lítio, que alimentam dispositivos eletrônicos de telefones celulares a carros elétricos, são valorizados por seu baixo peso, alta densidade de energia e capacidade de recarga. Os pesquisadores esperam estender o desempenho das baterias emprestando aos engenheiros um conhecimento aprimorado dos componentes e da dinâmica das baterias.

p "Queremos entender - de uma perspectiva nanoescala - o que faz uma bateria funcionar e outra falhar. Isso pode ser feito examinando sua funcionalidade no nível de um único grão ou defeito estendido, "Balke disse.

p A imagem do ESM da equipe pode exibir recursos como grãos individuais, aglomerados de grãos e defeitos no material do cátodo. O mapeamento de alta resolução mostrou, por exemplo, que o fluxo de íons de lítio pode se concentrar ao longo dos limites do grão, o que pode causar rachaduras e falha da bateria. Os pesquisadores dizem que esses tipos de fenômenos em nanoescala precisam ser examinados e correlacionados à funcionalidade geral da bateria.

p "Mudanças muito pequenas no nível nanométrico podem ter um grande impacto no nível do dispositivo, "Balke disse." Compreender as baterias nesta escala de comprimento pode ajudar a fazer sugestões para a engenharia de materiais. "

p Embora a pesquisa tenha se concentrado em baterias de íon-lítio, a equipe espera que sua técnica possa ser usada para medir outros sistemas eletroquímicos de estado sólido, incluindo outros tipos de bateria, células de combustível e dispositivos eletrônicos semelhantes que usam movimento iônico em nanoescala para armazenamento de informações.

p "Vemos este método como um exemplo dos tipos de técnicas de sonda de varredura de dimensão superior que estamos desenvolvendo no CNMS que nos permitem ver o funcionamento interno de materiais complexos em nanoescala, "Jesse disse." Tais capacidades são particularmente relevantes para a área cada vez mais importante da pesquisa de energia. "