p As baterias recarregáveis ​​de lítio (Li) são os dispositivos de armazenamento de energia mais amplamente usados ​​encontrados em eletrônicos de consumo e veículos elétricos hoje. Existem desafios, no entanto, para otimizar sua capacidade, reciclabilidade, e estabilidade. Durante os ciclos de carga e descarga de uma bateria de Li, dendritos de Li altamente localizados - fios de Li que crescem dentro das baterias - podem se formar e prejudicar o desempenho da bateria. p "Os dendritos de lítio são fios finos, como bigodes, que pode entrar em contato com materiais catódicos e causar uma cadeia de irreversíveis, reações químicas espontâneas, "disse Yingge Du, um pesquisador do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) que recentemente conduziu um estudo para visualizar esse fenômeno. "Isso pode levar à queda de desempenho, curto-circuito, e riscos de segurança, " ele adicionou.

p Du e sua equipe procuraram localizar o mecanismo de falha exato. Para fazer isso, eles precisavam controlar com precisão como e quando os dendritos Li entraram em contato com os materiais do cátodo. A equipe usou microscopia eletrônica de transmissão in situ (TEM) para obter imagens diretas das evoluções estruturais e químicas do óxido de lítio-cobalto (LiCoO ₂ ) cátodos de película fina no contato de dendrito de Li. "LiCoO ₂ ainda é um dos materiais catódicos mais usados, "disse Du, "e torná-lo em uma forma monocristalina bem definida por deposição de laser pulsado pode liberar o poder da microscopia eletrônica avançada." Usando essa abordagem, os pesquisadores descobriram um caminho de propagação de Li inesperado e etapas de reação detalhadas que levam à falha do cátodo.

p Seu estudo, "Visualização direta do efeito dendrito de Li no LiCoO ₂ Cátodo por In Situ TEM, "foi publicado recentemente em Pequena e destaque na capa.

p Para atender à crescente demanda por dispositivos de armazenamento de energia em grande escala, há uma necessidade urgente de pesquisadores desenvolverem de forma mais segura, baterias recarregáveis ​​com maior produção de energia. O metal de lítio é considerado um ideal, material de ânodo de alta capacidade. Contudo, seu uso é muito dificultado pela formação de dendritos de Li que podem penetrar no separador - uma membrana permeável colocada entre o ânodo e o cátodo da bateria. Uma vez que os dendritos de Li estão em contato direto com os materiais do cátodo, uma cadeia de irreversíveis, reações químicas espontâneas podem ocorrer, levando à queda de desempenho, curto-circuito, e riscos de segurança.

p Embora esforços significativos tenham sido dedicados para detectar, Compreendo, e evitar a formação de dendrito de Li dentro dos eletrólitos, pouco se sabe sobre as vias de reação detalhadas envolvendo metais de Li e materiais de cátodo. Preencher essa lacuna de conhecimento pode fornecer princípios de detecção e design que são essenciais para soluções de armazenamento de energia futuras.

p Neste estudo, Du e sua equipe de pesquisadores do PNNL estudaram os dendritos de Li e seus efeitos nos materiais catódicos. Eles procuraram entender as vias de reação detalhadas, o que poderia levar ao desenvolvimento de baterias de Li melhores.

p Usando deposição de laser pulsado, Du e sua equipe fabricaram bem definidos, epitaxial LiCoO ₂ filmes finos com orientações cristalográficas controladas para servir como modelos de materiais catódicos. Uma ponta de metal de Li foi usada para imitar o dendrito de Li dentro de um TEM para estudar sua reação com LiCoO preparado ₂ amostras.

p Técnicas avançadas de microscopia e espectroscopia - incluindo espectroscopia eletrônica de transmissão de varredura, difração nanobeam, e espectroscopia de perda de elétron-energia - permitiu que tais reações fossem investigadas com alta resolução espacial e temporal. Em combinação com os cálculos da teoria funcional da densidade, pesquisadores elucidaram as etapas da reação, intermediários, e produtos finais em um nível sem precedentes. Uma inesperada direção de difusão de Li perpendicular aos planos contendo Li foi encontrada, que rasgou o LiCoO ₂ cristal à parte, gerando grande quantidade de limites de grão e limites de antifase. Embora o metal Co e o Li2O sejam os produtos finais da reação de conversão completa, CoO foi identificado como um intermediário metaestável na frente de reação como resultado da transição de fase fácil de LiCoO ₂ .

p "As etapas de reação e intermediários revelados fornecem um mecanismo de falha claro para o LiCoO ₂ cátodos causados ​​por dendritos de Li, e também pode oferecer insights sobre os processos de descarga excessiva em cátodos, "comentou Du.

p Continuando este trabalho, A equipe de Du pretende fabricar baterias totalmente em estado sólido por processos de deposição de várias etapas usando deposição de laser pulsado para entender melhor os processos de transporte de íons em interfaces bem definidas.