p Os cientistas descobriram a causa raiz do crescimento de estruturas semelhantes a agulhas - conhecidas como dendritos e bigodes - que afetam as baterias de lítio, às vezes causando um curto-circuito, fracasso, ou até mesmo um incêndio. p O time, liderado por Chongmin Wang no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia, mostrou que a presença de certos compostos no eletrólito - o material líquido que torna possível a química crítica de uma bateria - estimula o crescimento de dendritos e bigodes. A equipe espera que a descoberta leve a novas maneiras de prevenir o seu crescimento, manipulando os ingredientes da bateria. Os resultados foram publicados online em 14 de outubro em Nature Nanotechnology .

p Os dendritos são minúsculos, estruturas rígidas semelhantes a árvores que podem crescer dentro de uma bateria de lítio; suas projeções em forma de agulha são chamadas de bigodes. Ambos causam um dano tremendo; notavelmente, eles podem perfurar uma estrutura conhecida como separador dentro de uma bateria, da mesma forma que uma erva daninha pode penetrar em um pátio de concreto ou em uma estrada pavimentada. Eles também aumentam as reações indesejadas entre o eletrólito e o lítio, acelerando a falha da bateria. Dendritos e bigodes estão impedindo o uso generalizado de baterias de metal de lítio, que têm densidade de energia mais alta do que suas contrapartes de íon de lítio comumente usadas.

p A equipe PNNL descobriu que a origem dos bigodes em uma bateria de metal de lítio está em uma estrutura conhecida como "SEI" ou interfase de eletrólito sólido, um filme onde a superfície sólida de lítio do ânodo encontra o eletrólito líquido. Avançar, os cientistas identificaram um culpado no processo de crescimento:carbonato de etileno, um solvente indispensável adicionado ao eletrólito para melhorar o desempenho da bateria.

p Acontece que o carbonato de etileno deixa a bateria vulnerável a danos.

p Captura de ação em movimento rápido dentro de baterias de lítio

p As descobertas da equipe incluem vídeos que mostram o crescimento passo a passo de um bigode dentro de uma bateria de metal de lítio nanométrica projetada especialmente para o estudo.

p Um dendrito começa quando os íons de lítio começam a se agrupar, ou "nucleado, "na superfície do ânodo, formando uma partícula que significa o nascimento de um dendrito. A estrutura cresce lentamente à medida que mais e mais átomos de lítio se acumulam, crescendo da mesma forma que uma estalagmite cresce no chão de uma caverna. A equipe descobriu que a dinâmica da energia na superfície do SEI empurra mais íons de lítio para a coluna de crescimento lento. Então, De repente, um bigode dispara.

p Não foi fácil para a equipe capturar a ação. Para fazer isso, cientistas integraram um microscópio de força atômica (AFM) e um microscópio eletrônico de transmissão ambiental (ETEM), um instrumento altamente valorizado que permite aos cientistas estudar uma bateria em funcionamento em condições reais.

p A equipe usou o AFM para medir a pequena força do bigode conforme ele crescia. Assim como um médico mede a força da mão de um paciente, pedindo-lhe que empurre para cima contra as mãos estendidas do médico, a equipe PNNL mediu a força do bigode crescente empurrando sua ponta com o cantilever do AFM e medindo a força que o dendrito exerceu durante seu crescimento.

p A receita para eletrólito

p A equipe descobriu que o nível de carbonato de etileno se correlaciona diretamente com o crescimento de dendritos e bigodes. Quanto mais do material a equipe coloca no eletrólito, quanto mais cresciam os bigodes. Os cientistas experimentaram a mistura de eletrólitos, mudar os ingredientes em um esforço para reduzir os dendritos. Algumas mudanças, como a adição de ciclohexanona, impediu o crescimento de dendritos e bigodes.

p "Não queremos simplesmente suprimir o crescimento de dendritos; queremos chegar à causa raiz e eliminá-los, "disse Wang, um autor correspondente do artigo junto com Wu Xu. "Contamos com a experiência de nossos colegas com experiência em eletroquímica. Minha esperança é que nossas descobertas estimulem a comunidade a examinar esse problema de novas maneiras. mais pesquisas são necessárias. "

p Compreender o que faz com que os bigodes comecem e cresçam levará a novas ideias para eliminá-los ou pelo menos controlá-los para minimizar os danos, adicionado primeiro autor Yang He. Ele e a equipe monitoraram como os bigodes respondem a um obstáculo, ou deformando, produzindo, torcer, ou parando. Uma maior compreensão pode ajudar a abrir caminho para o amplo uso de baterias de metal de lítio em carros elétricos, laptops, celulares, e outras áreas.