p Usado em tudo, de veículos elétricos a laptops, a bateria de lítio é onipresente, mas não é bem compreendido na escala atômica. Para ver o que acontece em nanoescala, cientistas do Centro Conjunto de Pesquisa de Armazenamento de Energia do DOE (JCESR) projetaram e implementaram um pequeno dispositivo, conhecido como um estágio operando eletroquímico. Usando este estágio dentro de um microscópio eletrônico de transmissão com correção de aberração de última geração, eles podem tirar fotos de íons de lítio com resolução em nanoescala à medida que são depositados ou dissolvidos em um eletrodo enquanto a bateria funciona. p Com a nova etapa, os cientistas podem imaginar mudanças diretamente à medida que ocorrem. As novas imagens permitem medições e descrições precisas do que acontece dentro da bateria. Essas informações são vitais para controlar os processos de limitação de desempenho e segurança. Agora, os cientistas podem visualizar e testar rapidamente novos pares de eletrodos e eletrólitos (ver Bateria 101). O novo estágio ajudará a classificar rapidamente as opções para maior duração, baterias mais seguras.

p Ir além da bateria de íon de lítio padrão da indústria atual tem sido difícil. Em lítio-ar e outros designs, as interações nas interfaces eletrodo-eletrólito afetam o desempenho e a segurança da bateria. Para entender as reações, cientistas do Pacific Northwest National Laboratory, como parte do JCESR, criou um estágio eletroquímico operando. Usando-o em um microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração, os cientistas agora podem obter imagens químicas da interface entre o ânodo de platina e o eletrólito durante a operação da bateria.

p O método de imagem destaca metal de lítio sólido, identificando-o exclusivamente a partir dos componentes que constituem a camada de interfase de eletrólito sólido de proteção. Usando essas imagens e dados eletroquímicos padrão, os cientistas podem quantificar, em nanoescala, a quantidade de lítio que acaba sendo depositada de forma irreversível após cada ciclo de carga / descarga. Isso significa que eles podem ver os dendritos - os espinhos microscópicos que causam a falha das baterias - conforme eles se formam.

p A técnica também mostra o crescimento da camada de interfase de eletrólito sólido, que envolve e protege o ânodo. A camada é formada como resultado da quebra do eletrólito. Em seus estudos, a equipe descobriu que o ciclo prolongado da bateria leva ao crescimento de lítio abaixo da camada - a gênese dos dendritos que têm implicações para a segurança e o desempenho da bateria.

p Esta nova ferramenta de imagem abre possibilidades para visualizar e testar pares eletrodo / eletrólito para novos sistemas de bateria. Esses sistemas podem permitir que os carros elétricos percorram grandes distâncias entre cargas. Também, um dia, tais sistemas podem armazenar energia de estações eólica e solar, tornando a energia intermitente disponível quando necessário.

p Bateria 101

p A maioria das baterias recarregáveis ​​usadas hoje são baterias de íon de lítio, que têm dois eletrodos:um que é carregado positivamente e contém lítio e outro, negativo que normalmente é feito de grafite. A eletricidade é gerada quando os elétrons fluem através de um fio que conecta os dois. Para controlar os elétrons, átomos de lítio carregados positivamente mudam de um eletrodo para o outro por outro caminho:a solução eletrolítica na qual os eletrodos ficam. Mas o grafite tem uma baixa capacidade de armazenamento de energia, limitar a quantidade de energia que uma bateria de íon de lítio pode fornecer telefones inteligentes e veículos elétricos.

p Quando as baterias recarregáveis ​​à base de lítio foram desenvolvidas pela primeira vez na década de 1970, pesquisadores usaram lítio para o eletrodo negativo, que também é conhecido como ânodo. O lítio foi escolhido por ter dez vezes mais capacidade de armazenamento de energia do que o grafite. O problema era o eletrólito que carrega o lítio reagiu com o ânodo de lítio. Isso fez com que os dendritos de lítio microscópicos crescessem e levou ao colapso das primeiras baterias.

p Muitos ajustaram baterias recarregáveis ​​ao longo dos anos na tentativa de resolver o problema dos dendritos. No início da década de 1990, os pesquisadores mudaram para outros materiais, como grafite, para o ânodo. Mais recentemente, os cientistas também revestiram o ânodo com uma camada protetora, enquanto outros criaram aditivos eletrolíticos. Algumas soluções eliminaram dendritos, mas também resultou em baterias impraticáveis ​​com pouca energia. Outros métodos apenas retardaram, mas não parou, o crescimento da fibra.