Un'eruzione di litio sulla punta dell'elettrodo di una batteria, crepe nel corpo dell'elettrodo, e un rivestimento che si forma sulla superficie dell'elettrodo rivela come ricaricare una batteria molte volte porta alla sua scomparsa.

Utilizzando un potente microscopio per osservare più cicli di carica e scarica in condizioni reali della batteria, i ricercatori hanno acquisito informazioni sulla chimica che intasa le batterie al litio ricaricabili. Il lavoro, apparso nel numero di marzo della rivista Nano lettere , aiuterà i ricercatori a progettare batterie ricaricabili più economiche e più potenti con metalli più comuni e più sicuri del litio.

"Questo lavoro è la prima prova visiva di ciò che porta alla formazione di dendriti di litio, nanoparticelle e fibre che si trovano comunemente nelle batterie al litio ricaricabili che si accumulano nel tempo e portano al guasto della batteria, " ha detto il capo scienziato Nigel Browning, un fisico presso il Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy.

Distress dendrite

Come sa chiunque abbia un cellulare morente, sarebbe bello se le batterie ricaricabili mantenessero più energia, duravano di più e costavano meno. Risolvere questi problemi potrebbe anche rendere più attraenti i veicoli elettrici e le energie rinnovabili. L'utilizzo di metalli come magnesio o alluminio al posto del litio potrebbe migliorare la durata e il costo delle batterie, ma la ricerca e lo sviluppo di ricaricabili non al litio sono molto indietro rispetto a quelli commerciali comuni agli ioni di litio.

Per accelerare lo sviluppo delle batterie ricaricabili, Il DOE ha finanziato il Centro comune per la ricerca sullo stoccaggio dell'energia, una collaborazione di diversi laboratori nazionali, università e aziende del settore privato. Team multidisciplinari di scienziati esplorano una varietà di problemi, sperando di superarli comprendendo i principi chimici sottostanti.

Ad esempio, le batterie ricaricabili soffrono della crescita dei dendriti, microscopico, fibre a forma di spillo che affliggono gli elettrodi della batteria. Recentemente, I ricercatori JCESR guidati dal PNNL hanno scoperto un modo per eliminare i dendriti nelle batterie al litio utilizzando uno speciale elettrolita. Per capire meglio come si formano i dendriti e come possono essere prevenuti a livello microscopico, un altro team JCESR guidato da Nigel Browning del PNNL ha ideato un microscopio in grado di esaminare una batteria completamente funzionante in azione.

A differenza di altre viste del funzionamento interno delle batterie ad alto ingrandimento, la maggior parte dei quali utilizza solo una parte di una batteria o deve studiarli sotto pressioni non tipicamente utilizzate nelle batterie, il team Browning ha creato una cella della batteria completamente funzionante in condizioni operative normali.

"Questo è un lavoro molto eccitante, " ha detto la prima autrice Layla Mehdi. "Abbiamo costruito una vera batteria funzionante all'interno del microscopio elettronico a trasmissione. Il vantaggio è che possiamo osservare direttamente tutte le reazioni chimiche all'interfaccia elettrolita-elettrodo in tempo reale, come stanno accadendo durante il ciclo della batteria."

Ricarica microscopica ch-ch-ch

Fare quello, il team ha dovuto personalizzare i microscopi elettronici a trasmissione per le proprie esigenze. In particolare, hanno dovuto superare il danno fatto dal raggio ad alta energia del microscopio:i microscopi elettronici usano i raggi di elettroni per visualizzare ciò che è nel campo visivo come un normale microscopio usa la luce. Il team ha determinato il modo ottimale per far brillare il raggio prima di subire danni. Ciò ha permesso ai ricercatori di caricare e scaricare ripetutamente la minuscola batteria e di essere certi che i cambiamenti osservati nell'ottica fossero dovuti al funzionamento della batteria e non al raggio stesso.

La loro batteria sperimentale sfoggiava un elettrodo di platino e un elettrolita liquido comunemente usato chiamato esafluorofosfato di litio in carbonato di propilene. Il compito degli ioni di litio caricati positivamente dell'elettrolita è di raccogliersi sull'elettrodo di platino quando la batteria si sta caricando, dove trattengono l'elettricità fino a quando la batteria non viene utilizzata.

E gli ioni di litio hanno fatto il loro lavoro. Quando il team ha pompato elettroni nella batteria, gli ioni di litio si sono riversati sull'elettrodo, che sembrava crescere ciuffi di capelli come un animale domestico Chia degli anni '70.

Scaricare la batteria ha sgonfiato i ciuffi, ma non completamente. Ulteriori analisi hanno rivelato che i ciuffi rimanenti potrebbero essere solo metallo di litio in base alla loro bassa densità rispetto ai prodotti di degradazione dell'elettrolito comunemente riportati. Perdere ioni di litio liberi a questi gruppi di "litio morto" riduce le prestazioni della batteria.

Inoltre, scaricando le crepe lasciate sull'elettrodo. Più cicli di carica e scarica hanno causato la crescita di più crepe e l'accumulo di litio morto, alcuni all'interno dell'elettrolita e alcuni sulla superficie dell'elettrodo.

È importante sottolineare che i ricercatori sono stati in grado di misurare la crescita di uno strato ben noto sulla superficie dell'elettrodo che interferisce con le prestazioni. Chiamato SEI per l'interfase solido-elettrolita, questo strato si forma a causa delle interazioni tra il litio e l'elettrolita. Alla fine il SEI impedisce alla batteria di caricarsi. L'imaging microscopico ha rivelato quanto velocemente si è formato lo strato e dove.

Sebbene questi esperimenti abbiano insegnato loro il comportamento del litio, Browning ha detto che è più entusiasta di applicare la tecnologia per studiare altri anodi metallici, metalli come magnesio, rame e altri che potrebbero portare a una nuova generazione di sistemi di batterie.

"Una volta che puoi immaginare questo, " Egli ha detto, "perché ciclare una batteria per giorni e giorni e giorni quando sai quanto velocemente la batteria decade? Ora possiamo ridurre il ciclo e passare a testare le caratteristiche individuali delle nuove caratteristiche chimiche della batteria."