(Phys.org) —A partir de unos pocos átomos de largo, Las espinas que se forman en la superficie del electrodo en una batería de litio especializada hacen que la batería se desvanezca gradualmente. según científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y del Laboratorio Nacional Argonne. Trabajando con potentes tecnologías de imágenes en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (EMSL) del DOE, el equipo determinó que una especie de espina con la estructura cristalográfica de espinela surge del material del electrodo y eventualmente conduce a la conversión completa de todo el material del electrodo en la estructura de espinela. Es más, el crecimiento de esta estructura de espinela libera moléculas de óxido de litio, causando grietas y picaduras. El electrodo dañado se desvanece, liberando menos energía con cada ciclo de carga / descarga.

"Los cambios en la estructura son bastante sutiles después de cada carga / descarga cíclica de la batería, "dijo el Dr. Chongmin Wang, un investigador de la PNNL que dirigió el estudio. "Las imágenes a nivel atómico brindan la oportunidad de obtener una imagen fundamental de cómo evoluciona este tipo de cambio sutil".

Aumentar la independencia de nuestra nación de los combustibles fósiles para nuestra flota de transporte requiere almacenamiento de energía. Un compuesto en capas rico en litio podría aumentar la densidad de energía de las baterías en más del 50 por ciento. Sin embargo, la batería se desvanece. Con uso repetido, el voltaje y la cantidad de energía que se puede almacenar y liberar de manera reversible disminuyen gradualmente. La causa es un cambio o transformación en el compuesto, pero se estaba debatiendo cómo y dónde se producían las transformaciones o las transiciones de fase. Al tomar y analizar imágenes de resolución atómica del electrodo de la batería antes y después de su uso, el equipo respondió las preguntas.

"Estos hallazgos y los estudios de seguimiento son fundamentales para las aplicaciones, incluido el almacenamiento de energía y los vehículos eléctricos, "dijo el Dr. Jun Liu, un jugador clave en el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía y un científico de materiales del PNNL en el estudio.

El equipo comenzó con electrodos de batería de litio en capas, donde las capas tienen un solo átomo de espesor. El material fue sintetizado en Argonne, donde se inventó hace varios años. El equipo de investigación utilizó un nuevo espectrómetro de dispersión de energía (EDS) y un potente microscopio electrónico de transmisión de barrido para obtener información detallada sobre la composición química y la estructura atómica de los materiales de los electrodos. La empresa FEI, en Hillsboro, Oregón, suministró el EDS. La empresa buscaba ejemplos destacados para mostrar el poder de sus instrumentos. Usando el espectrómetro EDS, el equipo identificó la falta de homogeneidad química y su correlación con los cambios de fase que ocurrieron en el material.

El equipo utilizó un nuevo microscopio electrónico ubicado en EMSL para obtener imágenes de resolución atómica. "El trabajo de alta resolución es una investigación de imágenes de vanguardia, "dijo el Dr. Nigel Browning, Científico Jefe en Microscopía de la Iniciativa de Imágenes Químicas en PNNL e investigador de este estudio. "Es una aplicación fantástica de técnicas de microscopía de resolución atómica, y confirma que la formación de espinelas puede explicar el origen del desvanecimiento del voltaje al determinar la ubicación exacta de la espinela, y cómo se fragmenta toda la estructura a medida que se forman las espinelas ".

Muchas de las personas en este proyecto están trabajando para encontrar nuevas formas de sintetizar y estabilizar los materiales en la batería de litio en capas. "Estamos trabajando en equipo para llevarlo al siguiente nivel:imágenes in situ. Queremos ver los cambios a nivel atómico a medida que ocurren, "dijo Wang.