(PhysOrg.com) - A medida que las industrias y los consumidores buscan cada vez más fuentes de energía mejoradas, La microscopía de vanguardia realizada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ofrece una perspectiva sin precedentes sobre cómo funcionan las baterías de iones de litio.

Un equipo de investigación dirigido por Nina Balke de ORNL, Stephen Jesse y Sergei Kalinin han desarrollado un nuevo tipo de microscopía de sonda de barrido llamada microscopía de deformación electroquímica (ESM) para examinar el movimiento de los iones de litio a través del material del cátodo de una batería. La investigación, "Mapeo a nanoescala de la difusión de iones en un cátodo de batería de iones de litio" (Balke et al.), se publica en Nanotecnología de la naturaleza .

"Podemos proporcionar una imagen detallada del movimiento iónico en volúmenes nanométricos, que supera las técnicas electroquímicas de última generación en seis a siete órdenes de magnitud, ", Dijo Kalinin. Los investigadores lograron los resultados aplicando voltaje con una sonda ESM a la superficie del cátodo en capas de la batería. Al medir la tensión electroquímica correspondiente, o cambio de volumen, el equipo pudo visualizar cómo fluían los iones de litio a través del material. Técnicas electroquímicas convencionales, que analizan la corriente eléctrica en lugar de la tensión, no funcionan en un nivel de nanoescala porque las corrientes electroquímicas son demasiado pequeñas para medir, Kalinin explicó.

"Estas son las primeras medidas, a nuestro conocimiento, de flujo de iones de litio a esta resolución espacial, "Dijo Kalinin.

Baterías de iones de litio, que alimentan dispositivos electrónicos desde teléfonos móviles hasta coches eléctricos, son valorados por su bajo peso, alta densidad de energía y capacidad de recarga. Los investigadores esperan ampliar el rendimiento de las baterías prestando a los ingenieros un conocimiento minucioso de los componentes y la dinámica de las baterías.

"Queremos comprender, desde una perspectiva a nanoescala, qué hace que una batería funcione y una batería falle. Esto se puede hacer examinando su funcionalidad al nivel de un solo grano o un defecto extendido, "Dijo Balke.

Las imágenes de ESM del equipo pueden mostrar características como granos individuales, racimos de granos y defectos dentro del material del cátodo. El mapeo de alta resolución mostró, por ejemplo, que el flujo de iones de litio puede concentrarse a lo largo de los límites de los granos, lo que podría provocar grietas y fallas en la batería. Los investigadores dicen que estos tipos de fenómenos a nanoescala deben examinarse y correlacionarse con la funcionalidad general de la batería.

"Los cambios muy pequeños a nivel nanométrico podrían tener un gran impacto a nivel del dispositivo, ", Dijo Balke." Comprender las baterías en esta escala de longitud podría ayudar a hacer sugerencias para la ingeniería de materiales ".

Aunque la investigación se centró en las baterías de iones de litio, el equipo espera que su técnica pueda usarse para medir otros sistemas electroquímicos de estado sólido, incluyendo otros tipos de baterías, pilas de combustible y dispositivos electrónicos similares que utilizan movimiento iónico a nanoescala para el almacenamiento de información.

"Vemos este método como un ejemplo de los tipos de técnicas de sonda de exploración de dimensiones superiores que estamos desarrollando en CNMS que nos permiten ver el funcionamiento interno de materiales complejos a nanoescala, ", Dijo Jesse." Tales capacidades son particularmente relevantes para el área cada vez más importante de la investigación energética ".