Los investigadores han desarrollado una forma de ver microscópicamente los electrodos de la batería mientras están bañados en electrolitos húmedos. imitando condiciones realistas dentro de las baterías reales. Si bien los investigadores de las ciencias de la vida utilizan regularmente la microscopía electrónica de transmisión para estudiar entornos húmedos, esta vez los científicos lo han aplicado con éxito a la investigación de baterías recargables.

Los resultados, informó en la edición del 11 de diciembre de Nano letras , son buenas noticias para los científicos que estudian los materiales de las baterías en condiciones secas. El trabajo mostró que muchos aspectos se pueden estudiar en condiciones secas, que son mucho más fáciles de usar. Sin embargo, se necesitan condiciones húmedas para estudiar la capa de interfase de electrolitos sólidos difícil de encontrar, un recubrimiento que se acumula en la superficie del electrodo e influye drásticamente en el rendimiento de la batería.

"La celda de líquido nos brindó información global sobre cómo se comportan los electrodos en un entorno de batería, ", dijo el científico de materiales Chongmin Wang del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía." Y nos ayudará a encontrar la capa sólida de electrolitos. Ha sido difícil visualizar directamente con suficiente detalle ".

Reflujo, Fluir, Hinchar

Aunque la electricidad parece invisible, almacenarlo y usarlo en pilas tiene algunos efectos muy físicos. Al cargar una batería, se atascan electrones en el electrodo negativo, donde los iones de litio cargados positivamente (u otro ión metálico como el sodio) se apresuran a encontrarse y retener los electrones. Esos iones tienen que encajar dentro de los poros del electrodo.

Alimentar un dispositivo con una batería hace que los electrones salgan del electrodo. Los iones positivos, Dejado atrás, surgen a través del cuerpo de la batería y regresan al electrodo positivo, donde esperan otra carga.

Wang y sus colegas han utilizado microscopios de alta potencia para observar cómo el flujo y reflujo de iones cargados positivamente deforman los electrodos. Al apretar los poros del electrodo, los electrodos se hinchan, y el uso repetido puede desgastarlos. Por ejemplo, Un trabajo reciente financiado a través del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía, un Centro de Innovación Energética del DOE establecido para acelerar el desarrollo de las baterías, mostró que los iones de sodio dejan burbujas, potencialmente interfiriendo con el funcionamiento de la batería.

Pero hasta este punto, los microscopios electrónicos de transmisión solo han podido acomodar celdas de batería secas, que los investigadores denominan células abiertas. En una batería real, Los electrodos están bañados en electrolitos líquidos que proporcionan un entorno a través del cual los iones pueden moverse fácilmente.

Entonces, trabajar con colegas de JCESR, Wang dirigió el desarrollo de una celda de batería húmeda en un microscopio electrónico de transmisión en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE en el campus de la PNNL. El equipo construyó una batería tan pequeña que varias podrían caber en una moneda de diez centavos. La batería tenía un electrodo de silicio y un electrodo de metal de litio, ambos contenidos en un baño de electrolito.

Capa misteriosa

Cuando el equipo cargó la batería, vieron hincharse el electrodo de silicio, como se esperaba. Sin embargo, en condiciones secas, el electrodo está conectado en un extremo a la fuente de litio, y la hinchazón comienza en un solo extremo a medida que los iones entran, creando un borde de ataque. En la celda líquida de este estudio, el litio podría entrar en el silicio en cualquier lugar a lo largo de la longitud del electrodo. El equipo observó cómo el electrodo se hinchaba a lo largo de su longitud al mismo tiempo.

"El electrodo se volvió más y más gordo de manera uniforme. Así es como sucedería dentro de una batería, "dijo Wang.

La cantidad total que se hinchó el electrodo fue aproximadamente la misma, aunque, si los investigadores instalaron una celda de batería seca o húmeda. Eso sugiere que los investigadores pueden usar cualquiera de las condiciones para estudiar ciertos aspectos de los materiales de las baterías.

"Hemos estado estudiando los materiales de la batería con los celda abierta durante los últimos cinco años, ", dijo Wang." Nos complace descubrir que la celda abierta proporciona información precisa con respecto a cómo se comportan químicamente los electrodos. Es mucho más fácil de hacer así que continuaremos usándolos ".

En lo que respecta a la elusiva capa de interfase de electrolitos sólidos, Wang dijo que no pudieron verlo en este experimento inicial. En experimentos futuros, intentarán reducir el grosor de la capa húmeda al menos a la mitad para aumentar la resolución, lo que podría proporcionar suficiente detalle para observar la capa de interfase de electrolitos sólidos.

"Se percibe que la capa tiene propiedades peculiares y que influye en el rendimiento de carga y descarga de la batería, "dijo Wang." Sin embargo, los investigadores no tienen una comprensión o un conocimiento concisos de cómo se forma, su estructura, o su química. También, no está claro cómo cambia con la carga y descarga repetidas. Es algo muy misterioso. Esperamos que la celda líquida nos ayude a descubrir esta capa misteriosa ".