Una erupción de litio en la punta del electrodo de una batería, grietas en el cuerpo del electrodo, y una capa que se forma en la superficie del electrodo revela cómo recargar una batería muchas veces conduce a su desaparición.

Usando un poderoso microscopio para observar múltiples ciclos de carga y descarga en condiciones reales de batería, Los investigadores han obtenido información sobre la química que obstruye las baterías de litio recargables. La obra, que aparece en la edición de marzo de la revista Nano letras , ayudará a los investigadores a diseñar baterías recargables más económicas y potentes con metales más comunes y seguros que el litio.

"Este trabajo es la primera evidencia visual de lo que conduce a la formación de dendritas de litio, nanopartículas y fibras que se encuentran comúnmente en las baterías de litio recargables que se acumulan con el tiempo y provocan fallas en la batería, "dijo el científico principal Nigel Browning, físico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.

Angustia dendrita

Como sabe cualquiera que tenga un teléfono celular moribundo, Sería bueno si las baterías recargables tuvieran más energía, duraron más y fueron más baratos. Resolver estos problemas también podría hacer que los vehículos eléctricos y las energías renovables sean más atractivos. El uso de metales como magnesio o aluminio en lugar de litio podría mejorar la vida útil y el costo de las baterías. pero la investigación y el desarrollo de recargables que no son de litio están muy por detrás de los de iones de litio comerciales comunes.

Para acelerar el desarrollo de baterías recargables, El DOE financió el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía, una colaboración de varios laboratorios nacionales, universidades y empresas del sector privado. Equipos multidisciplinarios de científicos exploran una variedad de problemas, con la esperanza de superarlos mediante la comprensión de los principios químicos subyacentes.

Por ejemplo, las baterías recargables sufren el crecimiento de dendritas, microscópico, fibras en forma de alfiler que afectan a los electrodos de la batería. Recientemente, Los investigadores de JCESR dirigidos por PNNL descubrieron una forma de eliminar las dendritas en las baterías de litio mediante el uso de un electrolito especial. Para comprender mejor cómo se forman las dendritas y cómo se pueden prevenir a nivel microscópico, otro equipo de JCESR dirigido por Nigel Browning de PNNL ideó un microscopio que podría examinar una batería completamente funcional en acción.

A diferencia de otras vistas del funcionamiento interno de las baterías con gran aumento, la mayoría de los cuales usan solo una parte de una batería o tienen que estudiarlos bajo presiones que no se usan típicamente en baterías, el equipo de Browning creó una celda de batería completamente funcional en condiciones normales de funcionamiento.

"Este es un trabajo muy emocionante, ", dijo la primera autora Layla Mehdi." Construimos una batería de trabajo real dentro del microscopio electrónico de transmisión. La ventaja es que podemos observar directamente todas las reacciones químicas en la interfaz electrolito-electrodo en tiempo real, ya que están sucediendo durante el ciclo de la batería ".

Carga microscópica de ch-ch-ch

Para hacer eso, el equipo tuvo que adaptar los microscopios electrónicos de transmisión a sus necesidades. En particular, tuvieron que superar el daño causado por el haz de alta energía del microscopio:los microscopios electrónicos usan haces de electrones para visualizar lo que hay en el campo de visión como un microscopio normal usa la luz. El equipo determinó la forma óptima de hacer brillar el rayo antes de sufrir daños. Esto permitió a los investigadores cargar y descargar la pequeña batería repetidamente y estar seguros de que los cambios que vieron bajo el alcance se debieron al funcionamiento de la batería y no al rayo en sí.

Su batería experimental lucía un electrodo de platino y un electrolito líquido de batería de uso común llamado hexafluorofosfato de litio en carbonato de propileno. El trabajo de los iones de litio cargados positivamente del electrolito es reunirse en el electrodo de platino cuando la batería se está cargando, donde retienen la electricidad hasta que se usa la batería.

Y los iones de litio hicieron su trabajo. Cuando el equipo bombeó electrones a la batería, los iones de litio acudieron al electrodo, que parecía tener mechones de pelo como una mascota de Chia de los años 70.

La descarga de la batería desinfló los mechones, pero no del todo. Un análisis más detallado reveló que los mechones sobrantes solo podrían ser de metal de litio debido a su baja densidad en comparación con los productos de descomposición de electrolitos comúnmente reportados. La pérdida de iones de litio libres en estos grupos de "litio muerto" reduce el rendimiento de la batería.

Además, descarga de grietas dejadas en el electrodo. Más ciclos de carga y descarga hicieron que crecieran más grietas y se acumulara litio muerto, algunos dentro del electrolito y otros en la superficie del electrodo.

En tono rimbombante, los investigadores pudieron medir el crecimiento de una capa conocida en la superficie del electrodo que interfiere con el rendimiento. Llamado SEI para la interfase de electrolitos sólidos, esta capa se forma debido a las interacciones entre el litio y el electrolito. Finalmente, el SEI evita que la batería se cargue. Las imágenes microscópicas revelaron qué tan rápido se formó la capa y dónde.

Aunque estos experimentos les enseñaron sobre el comportamiento del litio, Browning dijo que está más emocionado de aplicar la tecnología para estudiar otros ánodos metálicos, metales como el magnesio, cobre y otros que podrían dar lugar a una nueva generación de sistemas de baterías.

"Una vez que puedas imaginar esto, " él dijo, "¿Por qué hacer un ciclo de una batería durante días y días y días cuando se sabe con qué rapidez se agota la batería? Ahora podemos reducir el ciclo y pasar a probar las características individuales de las nuevas químicas de la batería".