p (PhysOrg.com) - Novas imagens de alta resolução de fios de eletrodo feitos de materiais usados ​​em baterias recarregáveis ​​de íon de lítio os mostram se contorcendo conforme são carregados com eletricidade. O magro, fios nanométricos se contorcem e engordam conforme os íons de lítio fluem durante o carregamento, de acordo com um artigo na edição desta semana da revista Ciência . O trabalho sugere como as baterias recarregáveis ​​acabam se esgotando e pode oferecer insights para a construção de baterias melhores. p Os desenvolvedores de baterias sabem que recarregar e usar baterias de lítio continuamente danifica os materiais do eletrodo, mas essas imagens em escala nanométrica oferecem um vislumbre da vida real de como. Fios finos de óxido de estanho, que servem como eletrodo negativo, engordar em um terço e esticar o dobro do tempo devido aos íons de lítio que fluem para dentro. os íons de lítio transformam o óxido de estanho de um cristal bem organizado em um material vítreo amorfo.

p "Os nanofios de óxido de estanho foram capazes de resistir às deformações associadas ao fluxo elétrico melhor do que o óxido de estanho a granel, que é uma cerâmica quebradiça, "disse Chongmin Wang, um cientista de materiais do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia. "Isso me lembra de fazer uma corda de aço - você enrola fios mais finos em vez de fazer uma corda grossa."

p Em um dos vídeos, mostrado abaixo, o nanofio parece um canudo, enquanto os íons de lítio parecem uma bebida sendo sugada por ele. Mudanças repetidas de formato podem danificar os materiais do eletrodo, introduzindo pequenos defeitos que se acumulam com o tempo.

p Perseguindo Elétrons

p Em trabalho anterior no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do DOE no campus PNNL, Wang, O químico do PNNL Wu Xu e outros colegas conseguiram tirar uma foto de um nanofio maior de cerca de um micrômetro - ou um centésimo da largura de um cabelo humano - que estava parcialmente carregado. Mas a configuração experimental não mostrou o carregamento em ação.

p Para visualizar a dinâmica de um eletrodo sendo carregado, Wang e Xu se uniram a Jianyu Huang no Centro de Nanotecnologias Integradas do DOE nos Laboratórios Nacionais Sandia no Novo México e outros. A equipe usou um microscópio eletrônico de transmissão especialmente equipado para configurar uma bateria em miniatura. Este instrumento permitiu que eles capturassem fios menores de cerca de 200 nanômetros de diâmetro (cerca de um quinto da largura dos nanofios anteriores) enquanto o carregava.

p As baterias recarregáveis ​​de íon de lítio funcionam porque os íons de lítio adoram elétrons. Íons de lítio carregados positivamente normalmente ficam no eletrodo positivo, onde um óxido de metal compartilha seus elétrons com o lítio. Mas carregar uma bateria bombeia elétrons livres para o eletrodo negativo, que fica em frente a um lago de eletrólitos através do qual os íons de lítio podem nadar, mas os elétrons não. O lítio deseja os elétrons do lado negativo do lago mais do que os elétrons que ele compartilha com o óxido de metal do lado positivo. Assim, os íons de lítio fluem do eletrodo positivo para o negativo, emparelhando com elétrons livres lá.

p Mas os elétrons são inconstantes. O uso de uma bateria em um dispositivo permite que os elétrons escapem do eletrodo negativo, deixando os íons de lítio para trás. Então, sem companheiros de elétrons livres, os íons de lítio retornam ao eletrodo positivo e ao abraço do óxido de metal.

p A bateria em miniatura de Wang incluía um eletrodo positivo de óxido de lítio-cobalto e um eletrodo negativo feito de finos nanofios de óxido de estanho. Entre os dois eletrodos, um eletrólito forneceu um conduíte para íons de lítio e uma barreira para elétrons. O eletrólito foi especialmente projetado para resistir às condições do microscópio.

p Quando a equipe carregou a bateria em miniatura em uma tensão constante, íons de lítio se espalharam pelo fio de óxido de estanho, puxado pelos elétrons no eletrodo negativo. O arame engordou e alongou cerca de 250 por cento no volume total, e torcido como uma cobra.

p Além disso, a microscopia mostrou que o fio começou na forma cristalina. Mas os íons de lítio mudaram o óxido de estanho para um material como o vidro, em que os átomos estão dispostos de forma mais aleatória do que em um cristal. Os pesquisadores concluíram que a quantidade de deformação que ocorre durante o carregamento e o uso pode desgastar os materiais da bateria depois de um tempo. Mesmo assim, o óxido de estanho parecia se sair melhor como um nanofio do que em seu maior, formulário em massa.

p "Achamos que este trabalho vai estimular um novo pensamento para o armazenamento de energia em geral, "disse Wang." Este é apenas o começo, e esperamos que, com o trabalho contínuo, ele nos mostre como projetar uma bateria melhor. "

p Trabalhos futuros incluirão imagens do que acontece quando uma bateria em miniatura é carregada e descarregada repetidamente. Quando uma bateria é usada, os íons de lítio devem retornar através do fio de óxido de estanho e através do eletrólito até o eletrodo positivo. A quantidade de danos estruturais que o lítio deixa em seu rastro ajudará os pesquisadores a entender por que as baterias recarregáveis ​​param de funcionar depois de serem recarregadas tantas vezes.

p Os pesquisadores também gostariam de desenvolver uma bateria recarregável de tamanho nano totalmente funcional.