El examen de los materiales de la batería en la nanoescala revela cómo el níquel forma una barrera física que parece impedir el transporte de iones de litio en el electrodo de la batería. reduciendo la rapidez con que se cargan y descargan los materiales, según una investigación dirigida por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE. El níquel es un componente esencial de los compuestos catódicos para baterías de iones de litio. Publicado en Nano letras , la investigación también sugiere una forma de mejorar los materiales.

Los investigadores, dirigido por el Dr. Chongmin Wang, 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 segrega 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." 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 capacidad de la batería. 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, el equipo utilizó microscopía electrónica en EMSL y el Centro Nacional de Microscopía Electrónica 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.

Con este estudio, con el apoyo de la iniciativa de imágenes químicas de PNNL, terminado, el equipo ahora está trabajando en experimentos controlados más de cerca para determinar si un método de fabricación en particular produce un mejor electrodo.