La interfaz del ánodo sólido y el electrolito líquido juega un papel crucial en el rendimiento de una batería de litio-metal. pero caracterizar los procesos que ocurren en esa intersección ha sido un desafío.

Para estudiar la superficie del ánodo, generalmente, el electrolito líquido se elimina y la superficie se lava y se seca antes del análisis. Pero este lavado y secado cambia fundamentalmente la estructura y la química de la interfaz; para obtener una imagen precisa de la interfaz, debe verse en su estado natural.

Investigadores del laboratorio de Lena Kourkoutis, profesor asistente de física aplicada e ingeniería, han desarrollado y demostrado una técnica para la visualización directa de interfaces sólido-líquido en un esfuerzo por comprender mejor un problema importante con las baterías de metal de litio:el crecimiento de dendritas en el ánodo, que puede provocar un cortocircuito y, en casos extremos, falla catastrófica de la batería.

Michael Zachman, Doctor. '18, miembro del laboratorio de Kourkoutis, es el autor principal de "Mapeo Cryo-STEM de interfaces sólido-líquido y dendritas en baterías de metal de litio, "que se publicará el 16 de agosto en Naturaleza .

Las contribuciones clave fueron realizadas por el laboratorio de Lynden Archer, el Profesor Distinguido de Ingeniería de la Familia James A. Friend en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular. Zhengyuan Tu, Doctor. '17, y Snehashis Choudhury, Doctor. '18, ambos del grupo Archer, construyó y analizó el rendimiento de las baterías utilizadas en el estudio.

El método desarrollado por el laboratorio de Kourkoutis implica la congelación rápida del electrolito en el electrodo, y un conjunto de técnicas de microscopía criogénica para analizar la morfología, información química y estructural en la interfaz sólido-líquido. Este trabajo tiene implicaciones para los sistemas mucho más allá del almacenamiento de energía, dicen los investigadores.

"La técnica que desarrollamos realmente solo nos permite tener una vista sin distorsiones de lo que está sucediendo en estas interfaces tan complejas, ", Dijo Kourkoutis." Y eso es clave para comprender no solo esa interfaz en particular, pero también las implicaciones de las reacciones o procesos que ocurren ".

Kourkoutis dijo que este trabajo se inspiró en su experiencia en un laboratorio de biología en el Instituto Max Planck en Alemania. donde usó un método llamado crio-FIB (haz de iones enfocado) para observar los procesos dentro de las células. En Cornell, su grupo adaptó crio-FIB para interfaces sólido-líquido y lo combinó con crio-STEM (microscopía electrónica de transmisión de barrido) para acceder a la estructura intacta de las dendritas a nanoescala.

Por este trabajo, Se abrieron baterías de celda de moneda y el electrodo se sumergió inmediatamente en un criógeno para congelar rápidamente y preservar la estructura. Zachman, quien preparó las muestras y realizó los experimentos, descubrió dos tipos distintos de dendritas en la superficie del ánodo:el tipo I era relativamente grande (aproximadamente 5 micrones de diámetro) con una curvatura baja; el tipo II tenía cientos de nanómetros de espesor y era tortuoso.

Además, las dendritas de tipo I mostraron una interfase extendida de electrolitos sólidos (SEI), una capa blanda que se cree que es precursora del crecimiento de las dendritas, de aproximadamente 300 a 500 nanómetros de espesor, mucho más grande de lo que se ha observado anteriormente. El descubrimiento de esta capa, que el estudio sugiere que se pierde principalmente durante el lavado y secado necesarios en el análisis tradicional, indica que se pierde irreversiblemente más litio en la capa SEI de lo que se pensaba anteriormente.

La técnica del grupo también reveló que las dendritas de tipo II estaban compuestas de hidruro de litio. "Se asumió que solo las dendritas compuestas de litio metálico estaban en las baterías, "Zachman dijo, "y ahora vemos que en realidad también están presentes dendritas de hidruro de litio, y deberían tener efectos significativos en el rendimiento de la batería ".

Archer dijo que estos descubrimientos deberían ayudar a proporcionar "pistas importantes sobre cómo se podría abordar el diseño químico de los electrolitos de las baterías".

La colaboración entre los grupos Kourkoutis y Archer surgió de una propuesta conjunta escrita para asegurar $ 2.7 millones de la National Science Foundation para obtener el microscopio electrónico de transmisión de barrido utilizado en esta investigación.

"Esta es una demostración sobresaliente del legado de colaboraciones radicales que han llegado a definir la investigación en ciencia de materiales en Cornell, y que diferencian a Cornell de sus pares como el lugar para realizar dicho trabajo, "Dijo Archer.