Cualquiera que posea un dispositivo electrónico sabe que las baterías de iones de litio pueden funcionar mejor y durar más. Ahora, Los científicos que examinan los materiales de las baterías a nanoescala revelan cómo el níquel forma una barrera física que impide el transporte de iones de litio en el electrodo. reduciendo la rapidez con que se cargan y descargan los materiales. Publicado la semana pasada en Nano letras , la investigación también sugiere una forma de mejorar los materiales.

Los investigadores, dirigido por Chongmin Wang del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, creó imágenes en 3D de alta resolución de materiales de electrodos hechos de nanopartículas en capas de óxido de litio-níquel-manganeso, mapeo de los elementos individuales. Estos mapas mostraron que el níquel formaba grumos en ciertos puntos de las nanopartículas. Una vista de mayor aumento mostró que el níquel bloquea los canales a través de los cuales viajan normalmente los iones de litio cuando las baterías se cargan y descargan.

"Nos sorprendió ver que el níquel se segregaba selectivamente como lo hizo. Cuando los iones de litio en movimiento golpean la capa rica en níquel segregada, esencialmente encuentran una barrera que parece ralentizarlos, "dijo Wang, un científico de materiales con base en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios del DOE en el campus de PNNL. "El bloque se forma en el proceso de fabricación, y nos gustaría encontrar una manera de prevenirlo ".

Los iones de litio son átomos cargados positivamente que se mueven entre los electrodos negativos y positivos cuando una batería se está cargando o está en uso. Básicamente atrapan o liberan los electrones cargados negativamente, cuyo movimiento a través de un dispositivo como un portátil forma la corriente eléctrica.

En electrodos de óxido de litio-manganeso, los átomos de manganeso y oxígeno forman filas como un campo de tallos de maíz. En los canales entre los tallos, iones de litio se deslizan hacia los electrodos en cada extremo, la dirección dependiendo de si la batería se está utilizando o se está cargando.

Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que la adición de níquel mejora la cantidad de energía que puede contener el electrodo. cualidades de la batería conocidas como capacidad y voltaje. Pero los científicos no han entendido por qué la capacidad disminuye después de un uso repetido, una situación que los consumidores experimentan cuando una batería agotada mantiene su carga cada vez menos.

Descubrir, Wang, El científico de materiales Meng Gu y sus colaboradores utilizaron microscopía electrónica en EMSL y el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para ver cómo se organizan los diferentes átomos en los materiales de los electrodos producidos por los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne. Los electrodos se basaron en nanopartículas hechas con litio, níquel, y óxidos de manganeso.

Primero, el equipo tomó imágenes de alta resolución que mostraban claramente filas de átomos separados por canales llenos de iones de litio. En la superficie, vieron la acumulación de níquel en los extremos de las filas, esencialmente impidiendo que el litio entre y salga.

Para averiguar cómo se distribuye la capa superficial sobre y dentro de la nanopartícula completa, el equipo utilizó una técnica llamada mapeo de composición tridimensional. Usando una nanopartícula de unos 200 nanómetros de tamaño, tomaron 50 imágenes de los elementos individuales mientras inclinaban la nanopartícula en varios ángulos. El equipo reconstruyó un mapa tridimensional a partir de los mapas elementales individuales, revelando manchas de níquel sobre un fondo de óxido de litio-manganeso.

La distribución tridimensional del manganeso, Los átomos de oxígeno y litio a lo largo de la superficie y dentro de la partícula eran relativamente uniformes. El níquel, sin embargo, Se estacionó en pequeñas áreas en la superficie. Internamente, el níquel se amontonaba en los bordes de regiones más pequeñas llamadas granos.

Para explorar por qué el níquel se agrega en ciertas superficies, el equipo calculó la facilidad con la que viajaban el níquel y el litio a través de los canales. El níquel se movía más fácilmente hacia arriba y hacia abajo por los canales que el litio. Mientras que el níquel normalmente reside dentro de las trenzas de óxido de manganeso, a veces se desliza hacia los canales. Y cuando lo hace este análisis mostró que fluye mucho más fácilmente a través de los canales hasta el final del campo, donde se acumula y forma un bloque.

Los investigadores utilizaron una variedad de métodos para fabricar las nanopartículas. Wang dijo que cuanto más tiempo permanezcan las nanopartículas a alta temperatura durante la fabricación, cuanto más níquel segregado y más pobres son las partículas realizadas en las pruebas de carga y descarga. Planean hacer experimentos más controlados para determinar si un método de fabricación en particular produce un mejor electrodo.

Este trabajo fue apoyado por la Iniciativa de Imágenes Químicas de PNNL.