O exame dos materiais da bateria em escala nanométrica revela como o níquel forma uma barreira física que parece impedir o transporte de íons de lítio no eletrodo da bateria, reduzindo a rapidez com que os materiais carregam e descarregam, de acordo com a pesquisa conduzida pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do DOE. O níquel é um componente essencial dos compostos catódicos para baterias de íon-lítio. Publicado em Nano Letras , a pesquisa também sugere uma forma de aprimorar os materiais.

Os pesquisadores, liderado pelo Dr. 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 segregada, eles essencialmente encontram uma barreira que parece retardá-los, "disse Wang." 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 adicionar níquel melhora a capacidade da bateria. 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, a equipe usou a microscopia eletrônica no EMSL e no National Center for Electron Microscopy para ver como os diferentes átomos estão dispostos nos materiais do 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.

Com este estudo, apoiado pela Iniciativa de Imagem Química da PNNL, completado, a equipe agora está trabalhando em experimentos controlados mais de perto para determinar se um determinado método de fabricação produz um eletrodo melhor.