Izquierda:Caricatura que ilustra el concepto de degradación inducida por haz de electrones de los electrolitos de las baterías de iones de litio en condiciones similares a las del funcionamiento de la batería. Una celda de fluido se analiza con un microscopio electrónico de transmisión de barrido, o STEM. Los electrones en el solvente y otras especies de radicales inducidas por haz de electrones interactuarán a través de reacciones químicas secundarias con una sal de litio y un solvente. Derecha:imagen STEM que muestra la ruptura inducida por haz de electrones, los dos grandes, partículas oscuras — de sal de litio en una mezcla de electrolitos.
(Phys.org) —Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico ha descubierto información sobre baterías de alta demanda que podrían mejorar un componente esencial que afecta su rendimiento y longevidad. Los científicos caracterizaron la estabilidad y los mecanismos de degradación interconectados en electrolitos comúnmente utilizados para iones de litio, o Li-ion, baterías. Obtuvieron datos detallados de imágenes químicas utilizando una etapa líquida ambiental en un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM).
Para desarrollar nuevas tecnologías de baterías, Se necesitan nuevos electrolitos con mayor estabilidad electroquímica. preferiblemente electrolitos sólidos tales como complejos inorgánicos o salinos. Encontrar estos electrolitos requiere herramientas no invasivas que se pueden usar in situ en el nivel de tamaño de partícula activa, la nanoescala, para observar los procesos que ocurren durante el funcionamiento de la batería. En este estudio, los investigadores utilizaron STEM.
"En la actualidad, STEM es la única técnica experimental que proporciona información a nanoescala durante el funcionamiento de las baterías de iones de litio, "dijo el Dr. Nigel Browning, Director científico de la iniciativa de imágenes químicas de PNNL. "La etapa líquida in situ en un STEM permite caracterizar las reacciones dentro de una batería en tiempo real. Este estudio es una prueba del principio del enfoque STEM que evita el análisis post-mortem estándar de los productos de degradación de electrolitos de litio".
La caracterización detallada que ofrece STEM en etapa líquida puede proporcionar información única sobre el comportamiento de los electrolitos, ya sea para su uso en futuros estudios de baterías in situ o para probar nuevos electrolitos, aventar la biblioteca de soluciones candidatas para una mayor caracterización y reducir el tiempo experimental empleado en electrolitos menos efectivos.
En su estudio, los científicos exploraron la estabilidad de cinco electrolitos diferentes comúnmente utilizados para aplicaciones de baterías de iones de litio y LiO2:tres que contenían sal de hexafluoroarsenato de litio, uno que contiene hexafluorofosfato de litio, y uno que contiene triflato de litio.
Los investigadores colocaron cámaras ambientales en miniatura con diferentes electrolitos en el camino del haz de electrones del STEM. Al permitir que los electrolitos se examinen en estado líquido, incluso cuando se inserta en el alto vacío del microscopio, estas cámaras simulaban lo que se encuentra dentro de una batería real. Luego, el haz de electrones provocó una reacción electroquímica localizada dentro de la celda líquida que aceleró la degradación del electrolito, la ruptura de una variedad de complejos inorgánicos / salinos. El microscopio adquirió imágenes en tiempo real con resolución a nanoescala, mostrando las primeras etapas de la nucleación del daño.
Los científicos también utilizaron la espectroscopia de pérdida de energía de electrones para verificar la presencia del electrolito y medir otros parámetros experimentales.
"Cada electrolito se comportó de manera diferente en el análisis, "dijo la Dra. Patricia Abellan, becario postdoctoral del PNNL y científico de materiales. "La estabilidad de los electrolitos investigados aquí se correlaciona con las tendencias electroquímicas informadas en la literatura, lo que sugiere que esta técnica podría potencialmente brindar nuevos conocimientos sobre los procesos de reducción y degradación que tienen lugar durante el funcionamiento de las baterías de iones de litio ".
Una vez que el efecto de los electrones de imagen esté completamente calibrado, este enfoque podría potencialmente proporcionar información sobre los mecanismos de degradación que ocurren durante las primeras etapas de la interfase de electrolitos sólidos, o SEI, formación, que aísla eléctricamente el electrolito y evita un mayor deterioro.
"Un día en el futuro cercano, STEM in situ podría utilizarse para estudiar diferentes procesos mediante visualización directa y en tiempo real, "Podríamos usarlo para optimizar los electrolitos actuales y de última generación", dijo Abellan.
