p Uma erupção de lítio na ponta do eletrodo de uma bateria, rachaduras no corpo do eletrodo, e uma camada que se forma na superfície do eletrodo revela como a recarga de uma bateria muitas vezes leva ao seu desaparecimento. p Usando um microscópio poderoso para observar vários ciclos de carga e descarga em condições reais de bateria, os pesquisadores descobriram a química que obstrui as baterias recarregáveis ​​de lítio. O trabalho, aparecendo na edição de março da revista Nano Letras , ajudará os pesquisadores a projetar baterias recarregáveis ​​mais baratas e mais potentes com metais mais comuns e mais seguros do que o lítio.

p “Este trabalho é a primeira evidência visual do que leva à formação de dendritos de lítio, nanopartículas e fibras comumente encontradas em baterias de lítio recarregáveis ​​que se acumulam com o tempo e levam à falha da bateria, "disse o cientista principal Nigel Browning, um físico do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia.

p Angústia dendrítica

p Como qualquer pessoa com um celular agonizante sabe, seria bom se as baterias recarregáveis ​​mantivessem mais energia, duravam mais e eram mais baratos. A solução desses problemas também pode tornar os veículos elétricos e as energias renováveis ​​mais atraentes. O uso de metais como magnésio ou alumínio no lugar do lítio pode melhorar a vida útil e o custo das baterias, mas a pesquisa e o desenvolvimento de recarregáveis ​​sem lítio estão muito aquém dos de íons de lítio comerciais comuns.

p Para acelerar o desenvolvimento de baterias recarregáveis, O DOE financiou o Joint Center for Energy Storage Research, uma colaboração de vários laboratórios nacionais, universidades e empresas do setor privado. Equipes multidisciplinares de cientistas exploram uma variedade de problemas, na esperança de superá-los através da compreensão dos princípios químicos subjacentes.

p Por exemplo, baterias recarregáveis ​​sofrem com o crescimento de dendritos, microscópico, fibras semelhantes a pinos que afetam os eletrodos da bateria. Recentemente, Os pesquisadores do JCESR liderados pelo PNNL descobriram uma maneira de eliminar os dendritos em baterias de lítio usando um eletrólito especial. Para entender melhor como os dendritos se formam e podem ser evitados no nível microscópico, outra equipe JCESR liderada por Nigel Browning do PNNL desenvolveu um microscópio que poderia examinar uma bateria totalmente funcional em ação.

p Ao contrário de outras visualizações do funcionamento interno das baterias em alta ampliação, a maioria dos quais usa apenas parte de uma bateria ou tem que estudá-los sob pressões não normalmente usadas em baterias, a equipe da Browning criou uma célula de bateria totalmente funcional em condições normais de operação.

p "Este é um trabalho muito emocionante, "disse o primeiro autor Layla Mehdi." Construímos uma bateria de trabalho real dentro do microscópio eletrônico de transmissão. A vantagem é que podemos observar diretamente todas as reações químicas na interface eletrólito-eletrodo em tempo real, conforme acontecem durante o ciclo da bateria. "

p Carregamento microscópico ch-ch-ch

p Fazer isso, a equipe teve que personalizar microscópios eletrônicos de transmissão para suas necessidades. Em particular, eles tiveram que superar os danos causados ​​pelo feixe de alta energia do microscópio:microscópios eletrônicos usam feixes de elétrons para visualizar o que está no campo de visão como um microscópio normal usa luz. A equipe determinou a maneira ideal de iluminar o feixe antes de sofrer danos. Isso permitiu que os pesquisadores carregassem e descarregassem a minúscula bateria repetidamente e tivessem a certeza de que as mudanças que viram no escopo foram devido à operação da bateria e não ao feixe em si.

p A bateria experimental deles tinha um eletrodo de platina e um eletrólito líquido de bateria comumente usado, chamado hexafluorofosfato de lítio em carbonato de propileno. A função dos íons de lítio carregados positivamente do eletrólito é reunir-se no eletrodo de platina quando a bateria está carregando, onde eles retêm a eletricidade até que a bateria seja usada.

p E os íons de lítio fizeram seu trabalho. Quando a equipe bombeou elétrons na bateria, os íons de lítio aglomeraram-se no eletrodo, que parecia crescer tufos de cabelo como um animal de estimação Chia dos anos 1970.

p Descarregar a bateria esvaziou os tufos, mas não completamente. Uma análise mais aprofundada revelou que os tufos restantes só poderiam ser de metal de lítio com base em sua baixa densidade em comparação com os produtos de decomposição de eletrólitos comumente relatados. A perda de íons de lítio livres para esses aglomerados de "lítio morto" reduz o desempenho da bateria.

p Além disso, descarregar rachaduras deixadas no eletrodo. Mais ciclos de carga e descarga causaram mais rachaduras e o acúmulo de lítio morto, alguns dentro do eletrólito e alguns na superfície do eletrodo.

p Mais importante, os pesquisadores conseguiram medir o crescimento de uma camada bem conhecida na superfície do eletrodo que interfere no desempenho. Chamado de SEI para interfase de eletrólito sólido, esta camada se forma devido às interações entre o lítio e o eletrólito. Eventualmente, o SEI impede que a bateria seja carregada. A imagem microscópica revelou a rapidez com que a camada se formou e onde.

p Embora esses experimentos os tenham ensinado sobre o comportamento do lítio, Browning disse que está mais animado para aplicar a tecnologia para estudar outros ânodos de metal, metais como magnésio, cobre e outros que podem levar a uma nova geração de sistemas de bateria.

p "Assim que você conseguir imaginar isso, " ele disse, "por que fazer o ciclo de uma bateria durar dias e dias quando você sabe a rapidez com que ela se deteriora? Agora podemos reduzir o ciclo e passar para o teste de características individuais de novos produtos químicos de bateria."