Los investigadores obtuvieron imágenes de las evoluciones estructurales y químicas de los cátodos de LiCoO2 tras el contacto de las dendritas de Li a escala atómica. Un espontáneo, La reacción de conversión irreversible conduce a la formación de Co metal y Li2O, con CoO como intermedio de reacción metaestable. Crédito:Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales
Las baterías recargables de litio (Li) son los dispositivos de almacenamiento de energía más utilizados que se encuentran en la electrónica de consumo y los vehículos eléctricos en la actualidad. Hay retos aunque, para optimizar su capacidad, reciclabilidad, y estabilidad. Durante los ciclos de carga y descarga de una batería de Li, Las dendritas de Li altamente localizadas (hebras de Li que crecen dentro de las baterías) pueden formarse y dañar el rendimiento de la batería.
"Las dendritas de litio son hebras finas, como bigotes, que pueden entrar en contacto con materiales del cátodo y causar una cadena de irreversible, reacciones químicas espontáneas, "dijo Yingge Du, un investigador del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) que recientemente dirigió un estudio para visualizar este fenómeno. "Puede provocar un deterioro del rendimiento, cortocircuito, y peligros de seguridad, "añadió.
Du y su equipo buscaron identificar el mecanismo exacto de falla. Para hacerlo necesitaban controlar con precisión cómo y cuándo las dendritas de Li entraban en contacto con los materiales del cátodo. El equipo utilizó microscopía electrónica de transmisión (TEM) in situ para obtener imágenes directamente de las evoluciones estructurales y químicas del óxido de cobalto y litio (LiCoO 2 ) cátodos de película delgada en contacto con dendrita de Li. "LiCoO 2 sigue siendo uno de los materiales de cátodo más utilizados, "dijo Du, "y convertirlo en una forma monocristalina bien definida mediante deposición de láser pulsado puede liberar el poder de la microscopía electrónica avanzada". Usando este enfoque, Los investigadores descubrieron una vía de propagación de Li inesperada y pasos de reacción detallados que conducen a la falla del cátodo.
Su estudio, "Visualización directa del efecto de la dendrita de litio en LiCoO 2 Cátodo por TEM in situ, "fue publicado recientemente en Pequeña y aparece en su portada.
Para satisfacer la creciente demanda de dispositivos de almacenamiento de energía a gran escala, Existe una necesidad urgente de que los investigadores desarrollen Baterías recargables con mayor salida de energía. El metal de litio se ha considerado un ideal, material de ánodo de alta capacidad. Sin embargo, su uso se ve muy obstaculizado por la formación de dendritas de Li que pueden penetrar el separador, una membrana permeable colocada entre el ánodo y el cátodo de una batería. Una vez que las dendritas de Li están en contacto directo con los materiales del cátodo, una cadena de irreversible, Pueden ocurrir reacciones químicas espontáneas. que conduce a la disminución del rendimiento, cortocircuito, y peligros para la seguridad.
Si bien se han realizado importantes esfuerzos para detectar, comprender, y prevenir la formación de dendrita de Li dentro de los electrolitos, poco se sabe con respecto a las rutas de reacción detalladas que involucran el metal Li y los materiales del cátodo. Cerrar esta brecha de conocimiento puede proporcionar principios de detección y diseño que son fundamentales para las futuras soluciones de almacenamiento de energía.
En este estudio, Du y su equipo de investigadores de PNNL estudiaron las dendritas de Li y su efecto sobre los materiales del cátodo. Intentaron comprender las vías de reacción detalladas, lo que podría conducir al desarrollo de mejores baterías de litio.
Usando deposición de láser pulsado, Du y su equipo fabricaron bien definidos, LiCoO epitaxial 2 películas delgadas con orientaciones cristalográficas controladas para servir como materiales de cátodo modelo. Se usó una punta de metal de Li para imitar la dendrita de Li dentro de un TEM para estudiar su reacción con LiCoO preparado 2 muestras.
Técnicas avanzadas de microscopía y espectroscopía, incluida la espectroscopía electrónica de transmisión de barrido, difracción de nanohaz, y espectroscopia de pérdida de energía de electrones - permitieron que tales reacciones fueran investigadas con alta resolución espacial y temporal. En combinación con los cálculos de la teoría funcional de la densidad, los investigadores aclararon los pasos de la reacción, intermedios, y productos finales a un nivel sin precedentes. Se encontró una dirección de difusión de Li inesperada perpendicular a los planos que contienen Li, que rompió el LiCoO 2 cristal aparte, generando una gran cantidad de límites de grano y límites de antifase. Si bien se descubrió que el Co metal y el Li2O eran los productos finales de la reacción de conversión completa, CoO se identificó como un intermedio metaestable en el frente de reacción como resultado de la transición de fase fácil de LiCoO 2 .
"Los pasos de reacción y los intermedios revelados proporcionan un claro mecanismo de falla para el LiCoO 2 cátodos causados por dendritas de Li, y también puede ofrecer información sobre los procesos de descarga excesiva en cátodos, "remarcó Du.
Continuando con este trabajo, El equipo de Du tiene la intención de fabricar baterías totalmente de estado sólido mediante procesos de deposición de varios pasos utilizando la deposición de láser pulsado para comprender mejor los procesos de transporte de iones a través de interfaces bien definidas.
