(PhysOrg.com) - Nuevas imágenes de alta resolución de cables de electrodos hechos de materiales utilizados en baterías recargables de iones de litio muestran que se retuercen a medida que se cargan con electricidad. El delgado, Los cables de tamaño nanométrico se retuercen y engordan a medida que los iones de litio fluyen durante la carga, según un artículo en la edición de esta semana de la revista Ciencias . El trabajo sugiere cómo las baterías recargables eventualmente se agotan y podrían ofrecer información para construir mejores baterías.

Los desarrolladores de baterías saben que recargar y usar baterías de litio una y otra vez daña los materiales de los electrodos, pero estas imágenes a escala nanométrica ofrecen una visión real de cómo. Alambres delgados de óxido de estaño, que sirven como electrodo negativo, engordan en un tercio y se estiran el doble de tiempo debido al flujo de iones de litio. Además, los iones de litio cambian el óxido de estaño de un cristal ordenado a un material vítreo amorfo.

"Los nanocables de óxido de estaño pudieron resistir las deformaciones asociadas con el flujo eléctrico mejor que el óxido de estaño a granel, que es una cerámica quebradiza, "dijo Chongmin Wang, científico de materiales en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "Me recuerda a hacer una cuerda de acero:enrollas alambres más delgados en lugar de hacer una sola cuerda gruesa".

En uno de los videos, mostrado a continuación, el nanoalambre parece una pajita, mientras que los iones de litio parecen una bebida que se succiona a través de él. Los cambios de forma repetidos pueden dañar los materiales de los electrodos al introducir pequeños defectos que se acumulan con el tiempo.

Persiguiendo electrones

En trabajos anteriores en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE en el campus de la PNNL, Wang, El químico de PNNL Wu Xu y otros colegas lograron tomar una instantánea de un nanoalambre más grande de aproximadamente un micrómetro, o una centésima parte del ancho de un cabello humano, que había sido parcialmente cargado. Pero la configuración experimental no mostró la carga en acción.

Para ver la dinámica de la carga de un electrodo, Wang y Xu se asociaron con Jianyu Huang en el Centro de Nanotecnologías Integradas del DOE en Sandia National Laboratories en Nuevo México y otros. El equipo utilizó un microscopio electrónico de transmisión especialmente equipado para instalar una batería en miniatura. Este instrumento les permitió obtener imágenes de cables más pequeños de aproximadamente 200 nanómetros de diámetro (aproximadamente una quinta parte del ancho de los nanocables anteriores) mientras lo cargaban.

Las baterías de iones de litio recargables funcionan porque los iones de litio aman los electrones. Los iones de litio cargados positivamente normalmente cuelgan en el electrodo positivo, donde un óxido de metal comparte sus electrones con el litio. Pero cargar una batería bombea electrones libres al electrodo negativo, que se encuentra a través de un lago de electrolitos a través del cual los iones de litio pueden nadar pero los electrones no. El litio desea los electrones del lado negativo del lago más que los electrones que comparte con el óxido metálico del lado positivo. Entonces, los iones de litio fluyen del electrodo positivo al negativo, emparejándose con electrones libres allí.

Pero los electrones son inconstantes. El uso de una batería en un dispositivo permite que los electrones se salgan del electrodo negativo, dejando atrás los iones de litio. Entonces, sin compañeros de electrones libres, los iones de litio regresan al electrodo positivo y al abrazo del óxido metálico.

La batería en miniatura de Wang incluía un electrodo positivo de óxido de litio y cobalto y un electrodo negativo hecho de nanocables delgados de óxido de estaño. Entre los dos electrodos, un electrolito proporcionaba un conducto para los iones de litio y una barrera para los electrones. El electrolito fue diseñado especialmente para soportar las condiciones del microscopio.

Cuando el equipo cargó la batería en miniatura a un voltaje constante, iones de litio atravesados ​​por el alambre de óxido de estaño, atraído por los electrones en el electrodo negativo. El alambre engordó y alargó en aproximadamente un 250 por ciento en volumen total, y retorcido como una serpiente.

Además, la microscopía mostró que el alambre comenzó en forma cristalina. Pero los iones de litio cambiaron el óxido de estaño a un material como el vidrio, en el que los átomos están dispuestos de forma más aleatoria que en un cristal. Los investigadores concluyeron que la cantidad de deformación que ocurre durante la carga y el uso podría desgastar los materiales de la batería después de un tiempo. Aún así, el óxido de estaño parecía funcionar mejor como un nanoalambre que en su más grande, forma a granel.

"Creemos que este trabajo estimulará nuevas ideas para el almacenamiento de energía en general, ", dijo Wang." Esto es solo el comienzo, y esperamos que con el trabajo continuo nos muestre cómo diseñar una batería mejor ".

El trabajo futuro incluirá imágenes de lo que sucede cuando una batería en miniatura se carga y descarga repetidamente. Cuando se usa una batería, los iones de litio deben regresar a través del alambre de óxido de estaño y a través del electrolito hasta el electrodo positivo. La cantidad de daño estructural que deja el litio en retroceso ayudará a los investigadores a comprender por qué las baterías recargables dejan de funcionar después de recargarse tantas veces.

A los investigadores también les gustaría desarrollar una batería recargable de tamaño nanométrico completamente funcional.