(PhysOrg.com) -- Nuove immagini ad alta risoluzione dei fili degli elettrodi realizzati con i materiali utilizzati nelle batterie ricaricabili agli ioni di litio li mostrano contorcersi mentre si caricano di elettricità. il sottile, fili di dimensioni nanometriche si contorcono e si ingrossano mentre gli ioni di litio fluiscono durante la ricarica, secondo un articolo nel numero di questa settimana della rivista Scienza . Il lavoro suggerisce come le batterie ricaricabili alla fine si esauriscono e potrebbe offrire spunti per costruire batterie migliori.

Gli sviluppatori di batterie sanno che la ricarica e l'utilizzo di batterie al litio ripetutamente danneggiano i materiali degli elettrodi, ma queste immagini su scala nanometrica offrono uno sguardo reale sul come. Fili sottili di ossido di stagno, che fungono da elettrodo negativo, ingrassano di un terzo e si allungano il doppio del tempo a causa dell'ingresso di ioni di litio. Inoltre, gli ioni di litio trasformano l'ossido di stagno da un cristallo ben disposto in un materiale vetroso amorfo.

"I nanofili di ossido di stagno sono stati in grado di resistere alle deformazioni associate al flusso elettrico meglio dell'ossido di stagno sfuso, che è una ceramica fragile, " ha detto Chongmin Wang, uno scienziato dei materiali presso il Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy. "Mi ricorda di fare una corda d'acciaio:avvolgi insieme fili più sottili invece di fare una corda spessa."

In uno dei video, mostrato di seguito, il nanofilo appare come una cannuccia, mentre gli ioni di litio sembrano una bevanda che viene risucchiata attraverso di essa. Cambiamenti di forma ripetuti potrebbero danneggiare i materiali degli elettrodi introducendo minuscoli difetti che si accumulano nel tempo.

A caccia di elettroni

In precedenti lavori presso il laboratorio di scienze molecolari ambientali del DOE nel campus del PNNL, Wang, Il chimico del PNNL Wu Xu e altri colleghi sono riusciti a scattare un'istantanea di un nanofilo più grande di circa un micrometro - o un centesimo della larghezza di un capello umano - che era stato parzialmente caricato. Ma la configurazione sperimentale non mostrava la ricarica in azione.

Per visualizzare la dinamica di un elettrodo in carica, Wang e Xu hanno collaborato con Jianyu Huang presso il Centro per le nanotecnologie integrate del DOE presso i Sandia National Laboratories nel New Mexico e altri. Il team ha utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione appositamente attrezzato per allestire una batteria in miniatura. Questo strumento ha permesso loro di eseguire l'immagine di fili più piccoli di circa 200 nanometri di diametro (circa un quinto della larghezza dei precedenti nanofili) durante la carica.

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio funzionano perché gli ioni di litio amano gli elettroni. Gli ioni di litio caricati positivamente normalmente rimangono nell'elettrodo positivo, dove un ossido di metallo condivide i suoi elettroni con il litio. Ma caricare una batteria pompa elettroni liberi nell'elettrodo negativo, che si trova su un lago di elettroliti attraverso il quale gli ioni di litio possono nuotare ma gli elettroni no. Il litio desidera gli elettroni sul lato negativo del lago più degli elettroni che condivide con l'ossido di metallo sul lato positivo. Quindi gli ioni di litio fluiscono dall'elettrodo positivo a quello negativo, accoppiandosi con elettroni liberi lì.

Ma gli elettroni sono volubili. L'uso di una batteria in un dispositivo consente agli elettroni di scivolare fuori dall'elettrodo negativo, lasciando indietro gli ioni di litio. Quindi senza compagni di elettroni liberi, gli ioni di litio ritornano all'elettrodo positivo e l'abbraccio dell'ossido di metallo.

La batteria in miniatura di Wang includeva un elettrodo positivo di ossido di litio e cobalto e un elettrodo negativo costituito da sottili nanofili di ossido di stagno. Tra i due elettrodi, un elettrolita forniva un condotto per gli ioni di litio e una barriera per gli elettroni. L'elettrolita è stato appositamente progettato per resistere alle condizioni del microscopio.

Quando il team ha caricato la batteria in miniatura a una tensione costante, gli ioni di litio si diffondono attraverso il filo di ossido di stagno, attirato dagli elettroni all'elettrodo negativo. Il filo ingrassato e allungato di circa il 250 per cento in volume totale, e contorto come un serpente.

Inoltre, la microscopia ha mostrato che il filo è partito in forma cristallina. Ma gli ioni di litio hanno trasformato l'ossido di stagno in un materiale come il vetro, in cui gli atomi sono disposti in modo più casuale che in un cristallo. I ricercatori hanno concluso che la quantità di deformazione che si verifica durante la ricarica e l'uso potrebbe consumare i materiali della batteria dopo un po'. Comunque, l'ossido di stagno sembrava andare meglio come nanofilo che nel suo più grande, modulo di massa.

"Pensiamo che questo lavoro stimolerà un nuovo modo di pensare per lo stoccaggio di energia in generale, " disse Wang. "Questo è solo l'inizio, e speriamo che con il lavoro continuato ci mostrerà come progettare una batteria migliore."

Il lavoro futuro includerà l'imaging di ciò che accade quando una batteria così in miniatura viene caricata e scaricata ripetutamente. Quando una batteria viene utilizzata, gli ioni di litio devono tornare indietro attraverso il filo di ossido di stagno e attraverso l'elettrolita fino all'elettrodo positivo. Quanti danni strutturali lascia dietro di sé il litio che si allontana aiuterà i ricercatori a capire perché le batterie ricaricabili smettono di funzionare dopo essere state ricaricate così tante volte.

I ricercatori vorrebbero anche sviluppare una batteria ricaricabile di dimensioni nanometriche completamente funzionante.