Qualquer pessoa que possua um dispositivo eletrônico sabe que as baterias de íon de lítio podem funcionar melhor e durar mais. Agora, cientistas examinando materiais de bateria em nanoescala revelam como o níquel forma uma barreira física que impede o transporte de íons de lítio no eletrodo, reduzindo a rapidez com que os materiais são carregados e descarregados. Publicado semana passada em Nano Letras , a pesquisa também sugere uma forma de aprimorar os materiais.

Os pesquisadores, liderado pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, do Departamento de Energia, Chongmin Wang, criou imagens 3D de alta resolução de materiais de eletrodo feitos de nanopartículas em camadas de óxido de lítio-níquel-manganês, mapear os elementos individuais. Esses mapas mostraram que o níquel formou aglomerados em certos pontos das nanopartículas. Uma visão de ampliação maior mostrou o níquel bloqueando os canais através dos quais os íons de lítio normalmente viajam quando as baterias são carregadas e descarregadas.

"Ficamos surpresos ao ver o níquel segregar seletivamente como fez. Quando os íons de lítio em movimento atingiram a camada rica em níquel segregado, eles essencialmente encontram uma barreira que parece retardá-los, "disse Wang, um cientista de materiais baseado na EMSL, o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma facilidade de usuário DOE no campus do PNNL. “O bloco se forma no processo de fabricação, e gostaríamos de encontrar uma maneira de evitá-lo. "

Os íons de lítio são átomos carregados positivamente que se movem entre os eletrodos negativos e positivos quando a bateria está sendo carregada ou em uso. Eles essencialmente capturam ou liberam os elétrons carregados negativamente, cujo movimento através de um dispositivo como um laptop forma a corrente elétrica.

Em eletrodos de óxido de lítio-manganês, os átomos de manganês e oxigênio formam fileiras como um campo de pés de milho. Nos canais entre as hastes, íons de lítio voam em direção aos eletrodos em cada extremidade, a direção dependendo se a bateria está sendo usada ou sendo carregada.

Os pesquisadores sabem há muito tempo que a adição de níquel melhora a quantidade de energia que o eletrodo pode conter, qualidades da bateria conhecidas como capacidade e tensão. Mas os cientistas não entenderam por que a capacidade cai após o uso repetido - uma situação que os consumidores experimentam quando uma bateria que está morrendo mantém sua carga cada vez menos.

Descobrir, Wang, o cientista de materiais Meng Gu e seus colaboradores usaram microscopia eletrônica no EMSL e no National Center for Electron Microscopy do Lawrence Berkeley National Laboratory para ver como os diferentes átomos estão dispostos nos materiais de eletrodo produzidos pelos pesquisadores do Argonne National Laboratory. Os eletrodos foram baseados em nanopartículas feitas de lítio, níquel, e óxidos de manganês.

Primeiro, a equipe obteve imagens de alta resolução que mostravam claramente fileiras de átomos separados por canais cheios de íons de lítio. Na superfície, eles viram o acúmulo de níquel nas extremidades das linhas, essencialmente bloqueando o lítio de entrar e sair.

Para descobrir como a camada superficial é distribuída em toda a nanopartícula, a equipe usou uma técnica chamada mapeamento de composição tridimensional. Usando uma nanopartícula de cerca de 200 nanômetros de tamanho, eles tiraram 50 imagens dos elementos individuais enquanto inclinavam a nanopartícula em vários ângulos. A equipe reconstruiu um mapa tridimensional a partir dos mapas elementares individuais, revelando manchas de níquel em um fundo de óxido de lítio-manganês.

A distribuição tridimensional do manganês, Os átomos de oxigênio e lítio ao longo da superfície e dentro da partícula eram relativamente uniformes. O níquel, Contudo, estacionou-se em pequenas áreas na superfície. Internamente, o níquel aglutinou-se nas bordas de regiões menores chamadas de grãos.

Para explorar por que o níquel se agrega em certas superfícies, a equipe calculou a facilidade com que o níquel e o lítio viajavam pelos canais. O níquel moveu-se mais facilmente para cima e para baixo nos canais do que o lítio. Embora o níquel normalmente resida nas trancinhas de óxido de manganês, às vezes, ele escorrega para os canais. E quando isso acontecer, esta análise mostrou que flui muito mais facilmente pelos canais até o final do campo, onde se acumula e forma um bloco.

Os pesquisadores usaram uma variedade de métodos para fazer as nanopartículas. Wang disse que quanto mais tempo as nanopartículas permanecem em alta temperatura durante a fabricação, quanto mais níquel segregado e mais pobres as partículas realizadas nos testes de carga e descarga. Eles planejam fazer experimentos controlados mais de perto para determinar se um determinado método de fabricação produz um eletrodo melhor.

Este trabalho foi apoiado pela Iniciativa de Imagem Química da PNNL.