Se utiliza en todo, desde vehículos eléctricos hasta computadoras portátiles, la batería de litio es omnipresente, pero no se comprende bien a escala atómica. Para ver qué sucede en la nanoescala, Los científicos del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR) del DOE diseñaron e implementaron un pequeño dispositivo, conocido como etapa electroquímica operando. Usando esta etapa dentro de un microscopio electrónico de transmisión con corrección de aberraciones de última generación, pueden tomar imágenes de resolución a nanoescala de iones de litio a medida que se depositan o se disuelven en un electrodo mientras la batería funciona.

Con la nueva etapa los científicos pueden visualizar directamente los cambios a medida que ocurren. Las nuevas imágenes permiten mediciones y descripciones precisas de lo que sucede dentro de la batería. Esta información es vital para controlar los procesos que limitan el rendimiento y la seguridad. Ahora, los científicos pueden visualizar y probar rápidamente nuevos pares de electrodos y electrolitos (ver Batería 101). La nueva etapa ayudará a clasificar rápidamente las opciones para una mayor duración, baterías más seguras.

Ir más allá de la batería de iones de litio estándar de la industria actual ha sido difícil. En litio-aire y otros diseños, las interacciones en las interfaces electrodo-electrolito afectan el rendimiento y la seguridad de la batería. Para entender las reacciones científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, como parte de JCESR, creó una etapa electroquímica operando. Utilizándolo en un microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones, Los científicos ahora pueden obtener imágenes químicas de la interfaz entre el ánodo de platino y el electrolito durante el funcionamiento de la batería.

El método de obtención de imágenes destaca el metal de litio sólido, identificándolo de forma única a partir de los componentes que forman la capa protectora de interfase de electrolito sólido. Usando estas imágenes y datos electroquímicos estándar, los científicos pueden cuantificar, a nanoescala, la cantidad de litio que termina depositándose irreversiblemente después de cada ciclo de carga / descarga. Esto significa que pueden ver las dendritas, las espinas microscópicas que hacen que las baterías fallen, a medida que se forman.

La técnica también muestra el crecimiento de la capa de interfase de electrolitos sólidos, que envuelve y protege el ánodo. La capa se forma como resultado de la descomposición del electrolito. En sus estudios, El equipo descubrió que el ciclo prolongado de la batería conduce a que el litio crezca debajo de la capa, la génesis de las dendritas que tienen implicaciones para la seguridad y el rendimiento de la batería.

Esta nueva herramienta de imágenes abre posibilidades para visualizar y probar rápidamente pares de electrodos / electrolitos para nuevos sistemas de baterías. Estos sistemas podrían permitir que los coches eléctricos recorran grandes distancias entre cargas. También, Un día, tales sistemas podrían almacenar energía de estaciones eólicas y solares, haciendo que la energía intermitente esté disponible cuando sea necesario.

Batería 101

La mayoría de las baterías recargables que se utilizan en la actualidad son baterías de iones de litio, que tienen dos electrodos:uno que está cargado positivamente y contiene litio y otro, negativo que normalmente está hecho de grafito. La electricidad se genera cuando los electrones fluyen a través de un cable que conecta los dos. Para controlar los electrones, Los átomos de litio cargados positivamente se mueven de un electrodo a otro a través de otro camino:la solución de electrolito en la que se asientan los electrodos. Pero el grafito tiene una capacidad de almacenamiento de energía baja, limitar la cantidad de energía que una batería de iones de litio puede proporcionar a teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos.

Cuando las baterías recargables de litio se desarrollaron por primera vez en la década de 1970, los investigadores utilizaron litio para el electrodo negativo, que también se conoce como ánodo. Se eligió el litio porque tiene diez veces más capacidad de almacenamiento de energía que el grafito. El problema era el electrolito portador de litio reaccionó con el ánodo de litio. Esto provocó el crecimiento de dendritas de litio microscópicas y provocó que las primeras baterías fallaran.

Muchos han ajustado las baterías recargables a lo largo de los años en un intento de resolver el problema de las dendritas. A principios de la década de 1990, los investigadores cambiaron a otros materiales como el grafito para el ánodo. Más recientemente, Los científicos también han revestido el ánodo con una capa protectora, mientras que otros han creado aditivos de electrolitos. Algunas soluciones eliminaron las dendritas, pero también resultó en baterías poco prácticas con poca energía. Otros métodos solo se ralentizaron, pero no paró el crecimiento de la fibra.