Pesquisadores em uma série de laboratórios nacionais e universidades desenvolveram uma maneira de visualizar microscopicamente os eletrodos da bateria enquanto eles são banhados em eletrólitos úmidos, imitando condições realistas dentro das baterias reais. Embora os pesquisadores de ciências biológicas usem regularmente microscopia eletrônica de transmissão para estudar ambientes úmidos, desta vez, os cientistas aplicaram-no com sucesso na pesquisa de baterias recarregáveis.

Os resultados, relatado na edição de 11 de dezembro de Nano Letras , são boas notícias para cientistas que estudam materiais de bateria em condições secas. O trabalho mostrou que muitos aspectos podem ser estudados em condições de seca, que são muito mais fáceis de usar. Contudo, as condições úmidas são necessárias para estudar a camada de interfase de eletrólito sólido difícil de encontrar, um revestimento que se acumula na superfície do eletrodo e influencia dramaticamente o desempenho da bateria.

"A célula de líquido nos deu informações globais sobre como os eletrodos se comportam em um ambiente de bateria, "disse o cientista de materiais Chongmin Wang, do Pacific Northwest National Laboratory." E isso nos ajudará a encontrar a camada de eletrólito sólido. Tem sido difícil visualizar diretamente com detalhes suficientes. "

Wang e seus colegas usaram microscópios de alta potência para observar como o fluxo e refluxo de íons carregados positivamente deformam os eletrodos nas baterias. Íons metálicos espremidos nos poros do eletrodo fazem os eletrodos inchar, e o uso repetido pode desgastá-los. Por exemplo, trabalho recente financiado pelo Joint Center for Energy Storage Research - um DOE Energy Innovation Hub estabelecido para acelerar o desenvolvimento da bateria - mostrou que os íons de sódio deixam bolhas para trás, potencialmente interferindo com o funcionamento da bateria.

Mas até este ponto, os microscópios eletrônicos de transmissão só foram capazes de acomodar células de bateria seca, que os pesquisadores chamam de células abertas. Em uma bateria real, os eletrodos são banhados em eletrólitos líquidos que fornecem um ambiente que os íons podem se mover facilmente.

Então, trabalhando com colegas JCESR, Wang liderou o desenvolvimento de uma célula de bateria úmida em um microscópio eletrônico de transmissão na EMSL, o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do DOE no campus PNNL, dando aos cientistas uma visão mais realista do que está acontecendo.

Tudo começou com a equipe construindo uma bateria tão pequena que várias caberiam em um centavo. A bateria tinha um eletrodo de silício e um eletrodo de metal de lítio, ambos contidos em um banho de eletrólito. Quando a equipe carregou a bateria, eles viram o eletrodo de silício inchar, como esperado. Contudo, sob condições secas, o eletrodo é ligado em uma extremidade à fonte de lítio - e o inchaço começa em apenas uma extremidade conforme os íons entram, criando uma vanguarda. Na célula de líquido deste estudo, o lítio pode entrar no silício em qualquer lugar ao longo do comprimento do eletrodo. A equipe observou enquanto o eletrodo inchava ao longo de todo o comprimento ao mesmo tempo.

"O eletrodo foi engordando cada vez mais. É assim que aconteceria dentro de uma bateria, "disse Wang.

A quantidade total que o eletrodo inchou foi quase a mesma, no entanto, se os pesquisadores montaram uma célula de bateria seca ou úmida. Isso sugere que os pesquisadores podem usar qualquer uma das condições para estudar certos aspectos dos materiais da bateria.

"Temos estudado materiais de bateria com o seco, célula aberta nos últimos cinco anos, "disse Wang." Estamos felizes em descobrir que a célula aberta fornece informações precisas sobre como os eletrodos se comportam quimicamente. É muito mais fácil de fazer, portanto, continuaremos a usá-los. "

No que diz respeito à elusiva camada de interfase de eletrólito sólido, Wang disse que eles não podiam ver isso neste experimento inicial. Em experiências futuras, eles tentarão reduzir a espessura da camada úmida em pelo menos metade para aumentar a resolução, que pode fornecer detalhes suficientes para observar a camada de interfase de eletrólito sólido.

"A camada tem propriedades peculiares e influencia o desempenho de carga e descarga da bateria, "disse Wang." No entanto, pesquisadores não têm uma compreensão concisa ou conhecimento de como ele se forma, sua estrutura, ou sua química. Também, como ele muda com cargas e descargas repetidas permanece obscuro. É uma coisa muito misteriosa. Esperamos que a célula líquida nos ajude a descobrir essa camada misteriosa. "