(PhysOrg.com) -- Poiché le industrie e i consumatori cercano sempre più fonti di alimentazione a batteria migliori, La microscopia all'avanguardia eseguita presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia sta fornendo una prospettiva senza precedenti sul funzionamento delle batterie agli ioni di litio.

Un team di ricerca guidato da Nina Balke dell'ORNL, Stephen Jesse e Sergei Kalinin hanno sviluppato un nuovo tipo di microscopia a scansione di sonda chiamata microscopia a deformazione elettrochimica (ESM) per esaminare il movimento degli ioni di litio attraverso il materiale del catodo di una batteria. La ricerca, "Mappatura su nanoscala della diffusione ionica in un catodo di batteria agli ioni di litio" (Balke et al.), è pubblicato in Nanotecnologia della natura .

"Possiamo fornire un quadro dettagliato del movimento ionico in volumi nanometrici, che supera di sei-sette ordini di grandezza le più moderne tecniche elettrochimiche, " ha detto Kalinin. I ricercatori hanno ottenuto i risultati applicando la tensione con una sonda ESM alla superficie del catodo a strati della batteria. Misurando la corrispondente deformazione elettrochimica, o variazione di volume, il team è stato in grado di visualizzare come gli ioni di litio scorrevano attraverso il materiale. Tecniche elettrochimiche convenzionali, che analizzano la corrente elettrica invece della deformazione, non funzionano su scala nanometrica perché le correnti elettrochimiche sono troppo piccole per essere misurate, Kalinin ha spiegato.

"Queste sono le prime misurazioni, per quello che ci risulta, del flusso di ioni di litio a questa risoluzione spaziale, " disse Kalinin.

batterie agli ioni di litio, che alimentano dispositivi elettronici dai telefoni cellulari alle auto elettriche, sono apprezzati per il loro peso ridotto, alta densità di energia e capacità di ricarica. I ricercatori sperano di estendere le prestazioni delle batterie prestando agli ingegneri una conoscenza approfondita dei componenti e delle dinamiche delle batterie.

"Vogliamo capire - da una prospettiva su scala nanometrica - cosa fa funzionare una batteria e una batteria si guasta. Questo può essere fatto esaminando la sua funzionalità a livello di un singolo grano o di un difetto esteso, " ha detto Balke.

L'imaging ESM del team può visualizzare caratteristiche come singoli grani, grappoli di grano e difetti all'interno del materiale del catodo. La mappatura ad alta risoluzione ha mostrato, Per esempio, che il flusso di ioni di litio può concentrarsi lungo i bordi dei grani, che potrebbe causare rotture e guasti alla batteria. I ricercatori affermano che questi tipi di fenomeni su nanoscala devono essere esaminati e correlati alla funzionalità complessiva della batteria.

"Modifiche molto piccole a livello nanometrico potrebbero avere un impatto enorme a livello di dispositivo, " ha detto Balke. "Comprendere le batterie su questa scala di lunghezza potrebbe aiutare a dare suggerimenti per l'ingegneria dei materiali".

Sebbene la ricerca si sia concentrata sulle batterie agli ioni di litio, il team si aspetta che la sua tecnica possa essere utilizzata per misurare altri sistemi elettrochimici a stato solido, compresi altri tipi di batterie, celle a combustibile e dispositivi elettronici simili che utilizzano il movimento ionico su scala nanometrica per l'archiviazione delle informazioni.

"Vediamo questo metodo come un esempio dei tipi di tecniche di sonda di scansione dimensionale più elevate che stiamo sviluppando al CNMS che ci consentono di vedere il funzionamento interno di materiali complessi su scala nanometrica, " Jesse ha detto. "Tali capacità sono particolarmente rilevanti per l'area sempre più importante della ricerca energetica".