(Phys.org)—A partire da pochi atomi di lunghezza, le spine che si formano sulla superficie dell'elettrodo in una batteria al litio specializzata fanno sì che la batteria si sbiadisca gradualmente, secondo gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e dell'Argonne National Laboratory. Lavorare con potenti tecnologie di imaging nell'Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) del DOE, il team ha determinato che una specie di spina con la struttura cristallografica dello spinello cresce dal materiale dell'elettrodo e alla fine porta alla completa conversione dell'intero materiale dell'elettrodo nella struttura dello spinello. Per di più, la crescita di questa struttura a spinello libera molecole di ossido di litio, provocando screpolature e vaiolature. L'elettrodo danneggiato quindi svanisce, rilasciando meno energia ad ogni ciclo di carica/scarica.

"Le modifiche alla struttura sono piuttosto sottili dopo ogni carica/scarica ciclica della batteria, " ha detto il dottor Chongmin Wang, un ricercatore del PNNL che ha guidato lo studio. "L'imaging a livello atomico offre l'opportunità di ottenere un'immagine fondamentale di come si evolve questo tipo di sottile cambiamento".

Aumentare l'indipendenza della nostra nazione dai combustibili fossili per la nostra flotta di trasporto richiede lo stoccaggio di energia. Un composito stratificato ricco di litio potrebbe aumentare la densità energetica delle batterie di oltre il 50%. Però, la batteria si esaurisce. Con l'uso ripetuto, la tensione e la quantità di energia che può essere immagazzinata e rilasciata in modo reversibile diminuisce gradualmente. La causa è un cambiamento o una trasformazione nel composto, ma come e dove si verificano le trasformazioni o le transizioni di fase era oggetto di dibattito. Prendendo e analizzando immagini a risoluzione atomica dell'elettrodo della batteria prima e dopo l'uso, la squadra ha risposto alle domande.

"Questi risultati e gli studi successivi sono fondamentali per le applicazioni, compresi l'accumulo di energia e i veicoli elettrici, " ha detto il dottor Jun Liu, un attore chiave nel Centro comune per la ricerca sull'immagazzinamento dell'energia e uno scienziato dei materiali del PNNL nello studio.

Il team ha iniziato con elettrodi per batterie al litio a strati, dove gli strati sono spessi solo un singolo atomo. Il materiale è stato sintetizzato ad Argonne, dove è stato inventato diversi anni fa. Il team di ricerca ha utilizzato un nuovo spettrometro a dispersione di energia (EDS) e un potente microscopio elettronico a trasmissione a scansione per ottenere informazioni dettagliate sulla composizione chimica e sulla struttura atomica dei materiali degli elettrodi. La Società FEI, a Hillsboro, Oregon, fornito l'EDS. L'azienda era alla ricerca di esempi eccezionali per mostrare la potenza dei propri strumenti. Utilizzando lo spettrometro EDS, il team ha identificato la disomogeneità chimica e la sua correlazione con i cambiamenti di fase che si sono verificati nel materiale.

Il team ha utilizzato un nuovo microscopio elettronico situato nell'EMSL per ottenere immagini a risoluzione atomica. "Il lavoro ad alta risoluzione è una ricerca di imaging all'avanguardia, " ha detto il dottor Nigel Browning, Chief Scientist in Microscopy for the Chemical Imaging Initiative presso PNNL e ricercatore in questo studio. "È una fantastica applicazione delle tecniche di microscopia a risoluzione atomica, e conferma che la formazione dello spinello può spiegare l'origine della dissolvenza di tensione determinando l'esatta posizione dello spinello, e come l'intera struttura si frammenta man mano che si formano gli spinelli."

Molte delle persone in questo progetto stanno lavorando per trovare nuovi modi per sintetizzare e stabilizzare i materiali nella batteria al litio a strati. "Stiamo lavorando come una squadra per portarlo al livello successivo - immagini in situ. Vogliamo vedere i cambiamenti a livello atomico mentre si verificano, " ha detto Wang.