(Phys.org) —Uma equipe liderada pelo Pacific Northwest National Laboratory descobriu informações sobre baterias de alta demanda que poderiam melhorar um componente essencial que afeta seu desempenho e longevidade. Os cientistas caracterizaram a estabilidade e os mecanismos de degradação interconectados em eletrólitos comumente usados ​​para íons de lítio, ou Li-ion, baterias. Eles obtiveram dados de imagem química detalhados usando um estágio líquido ambiental em um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM).

Para desenvolver novas tecnologias de bateria, novos eletrólitos com estabilidade eletroquímica aumentada são necessários, preferencialmente eletrólitos sólidos, tais como complexos inorgânicos ou de sal. Encontrar esses eletrólitos requer ferramentas não invasivas que podem ser usadas in situ no nível de tamanho de partícula ativa - a nanoescala - para observar os processos que ocorrem durante a operação da bateria. Neste estudo, os pesquisadores usaram o STEM.

"Atualmente, STEM é a única técnica experimental que fornece informações em nanoescala durante a operação de baterias de íon-lítio, "disse o Dr. Nigel Browning, Diretor de Ciências da Iniciativa de Imagem Química da PNNL. "O estágio líquido in situ em um STEM permite que as reações dentro de uma bateria sejam caracterizadas em tempo real. Este estudo é uma prova do princípio da abordagem STEM que evita a análise post-mortem padrão de produtos de decomposição do eletrólito de lítio."

A caracterização detalhada oferecida pelo STEM de estágio líquido pode fornecer uma visão única sobre o comportamento do eletrólito, seja para uso em estudos futuros de bateria in situ ou para testar novos eletrólitos, filtrar a biblioteca de soluções candidatas para caracterização adicional e reduzir o tempo experimental gasto com eletrólitos menos eficazes.

Em seu estudo, os cientistas exploraram a estabilidade de cinco eletrólitos diferentes comumente usados ​​para aplicações de baterias de íon-lítio e LiO2:três que continham sal hexafluoroarsenato de lítio, um contendo hexafluorofosfato de lítio, e um contendo triflato de lítio.

Os pesquisadores colocaram câmaras ambientais em miniatura com diferentes eletrólitos no caminho do feixe de elétrons do STEM. Ao permitir que os eletrólitos sejam examinados no estado líquido, mesmo quando inserido no alto vácuo do microscópio, essas câmaras simulavam o que é encontrado dentro de uma bateria real. Então, o feixe de elétrons causou uma reação eletroquímica localizada dentro da célula de líquido que acelerou a degradação do eletrólito - a quebra de uma gama de complexos inorgânicos / sal. O microscópio adquiriu imagens em tempo real com resolução em nanoescala, mostrando os primeiros estágios de nucleação de dano.

Os cientistas também usaram espectroscopia de perda de energia de elétrons para verificar a presença do eletrólito e medir outros parâmetros experimentais.

"Cada eletrólito se comportou de maneira diferente na análise, "disse a Dra. Patricia Abellan, um pós-doutorado PNNL e cientista de materiais. "A estabilidade dos eletrólitos investigados aqui se correlaciona com as tendências eletroquímicas relatadas na literatura, o que sugere que esta técnica pode potencialmente dar novos insights sobre os processos de redução e degradação que ocorrem durante a operação de baterias de íon-lítio. "

Uma vez que o efeito dos elétrons de imagem esteja totalmente calibrado, esta abordagem pode fornecer informações sobre os mecanismos de degradação que ocorrem durante os primeiros estágios da interfase de eletrólito sólido, ou SEI, formação, que isola eletricamente o eletrólito e evita maior deterioração.

"Um dia no futuro próximo, STEM in situ pode ser usado para estudar diferentes processos por meio de visualização direta e em tempo real, "Abellan disse." Poderíamos usá-lo para otimizar os eletrólitos de última geração e atuais. "