Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han capturado las primeras imágenes a nanoescala en tiempo real de estructuras de dendrita de litio que degradan las baterías de iones de litio. La microscopía electrónica del equipo ORNL podría ayudar a los investigadores a abordar problemas de larga data relacionados con el rendimiento y la seguridad de la batería.

Las dendritas se forman cuando el litio metálico se arraiga en el ánodo de una batería y comienza a crecer al azar. Si las dendritas crecen demasiado, Pueden perforar el divisor entre los electrodos y provocar un cortocircuito en la celda. resultando en una falla catastrófica de la batería.

Los investigadores estudiaron la formación de dendritas mediante el uso de una celda electroquímica en miniatura que imita las condiciones del líquido dentro de una batería de iones de litio. Colocar la celda líquida en un microscopio electrónico de transmisión de barrido y aplicar voltaje a la celda permitió a los investigadores observar cómo los depósitos de litio, que comienzan como una semilla de tamaño nanométrico, crecían hasta convertirse en estructuras dendríticas.

"Nos da una visión nanoscópica de cómo las dendritas se nuclean y crecen, "dijo Raymond Unocic de ORNL, Líder del equipo de microscopía in situ. "Podemos visualizar todo el proceso en un microelectrodo de carbono vítreo y observar dónde prefieren nuclearse las dendritas y también rastrear los cambios morfológicos durante el crecimiento". Vea un video del crecimiento de las dendritas a continuación.

Además de obtener imágenes de las estructuras en alta resolución, La técnica de microscopía del equipo recopiló medidas precisas del rendimiento electroquímico de la celda. "Esta técnica nos permite seguir los cambios estructurales y químicos sutiles de tamaño nanométrico que se producen y, lo que es más importante, correlacionar eso con el rendimiento medido de una batería, "dijo Robert Sacci, Investigador postdoctoral ORNL y autor principal del estudio Nano Letters.

Este análisis en tiempo real en un entorno líquido distingue el enfoque del equipo ORNL de otros métodos de caracterización.

"Por lo general, cuando se ejecuta una batería durante muchos ciclos de carga y descarga, por lo general, espera hasta que las cosas comienzan a fallar y, en ese momento, realiza un análisis de la causa raíz de la falla, "Dijo Unocic." Entonces ves que hay una dendrita, pero ¿y qué? Ahora que podemos ver exactamente cómo se forman las dendritas usando nuestra técnica, podemos ser proactivos y diseñar estrategias para inhibir o reducir estos fenómenos ".

El equipo de ORNL cree que los científicos que están experimentando con diferentes formas de abordar el problema de las dendritas, como aditivos líquidos o separadores más fuertes, se beneficiará de su investigación.

"Si no comprende el mecanismo básico de por qué suceden las cosas en sus dispositivos, siempre estarás pensando, '¿Por qué sucedió esto y cómo lo soluciono?', Dijo Unocic. problemas que surgen ".