I ricercatori hanno sviluppato un modo per visualizzare al microscopio gli elettrodi della batteria mentre sono immersi in elettroliti umidi, imitando condizioni realistiche all'interno delle batterie reali. Mentre i ricercatori delle scienze della vita usano regolarmente la microscopia elettronica a trasmissione per studiare gli ambienti umidi, questa volta gli scienziati lo hanno applicato con successo alla ricerca sulle batterie ricaricabili.

I risultati, riportato nel numero dell'11 dicembre di Nano lettere , sono buone notizie per gli scienziati che studiano i materiali delle batterie in condizioni di asciutto. Il lavoro ha mostrato che molti aspetti possono essere studiati in condizioni asciutte, che sono molto più facili da usare. Però, condizioni umide sono necessarie per studiare lo strato interfase di elettrolita solido difficile da trovare, un rivestimento che si accumula sulla superficie dell'elettrodo e influenza notevolmente le prestazioni della batteria.

"La cella liquida ci ha fornito informazioni globali su come si comportano gli elettrodi in un ambiente con batteria, " ha detto lo scienziato dei materiali Chongmin Wang del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy. "E ci aiuterà a trovare lo strato di elettrolita solido. È stato difficile visualizzare direttamente in modo sufficientemente dettagliato".

Riflusso, Flusso, Rigonfiamento

Anche se l'elettricità sembra invisibile, conservarlo e usarlo nelle batterie ha alcuni effetti molto fisici. La carica di una batteria inceppa gli elettroni nell'elettrodo negativo, dove gli ioni di litio caricati positivamente (o un altro ione metallico come il sodio) si precipitano per incontrarsi e trattenere gli elettroni. Questi ioni devono adattarsi all'interno dei pori all'interno dell'elettrodo.

L'alimentazione di un dispositivo con una batteria fa sì che gli elettroni fuoriescano dall'elettrodo. Gli ioni positivi, lasciato indietro, impulso attraverso il corpo della batteria e ritorno all'elettrodo positivo, dove attendono un'altra ricarica.

Wang e colleghi hanno utilizzato microscopi ad alta potenza per osservare come il flusso e il riflusso degli ioni caricati positivamente deformano gli elettrodi. Spremere nei pori dell'elettrodo fa gonfiare gli elettrodi, e l'uso ripetuto può logorarli. Per esempio, un recente lavoro finanziato attraverso il Joint Center for Energy Storage Research, un centro di innovazione energetica del DOE istituito per accelerare lo sviluppo delle batterie, ha mostrato che gli ioni di sodio lasciano dietro di sé bolle, potenzialmente interferire con il funzionamento della batteria.

Ma fino a questo punto, i microscopi elettronici a trasmissione sono stati in grado di ospitare solo celle di batterie a secco, che i ricercatori chiamano celle aperte. In una vera batteria, gli elettrodi sono immersi in elettroliti liquidi che forniscono un ambiente attraverso il quale gli ioni possono spostarsi facilmente.

Così, lavorare con i colleghi di JCESR, Wang ha guidato lo sviluppo di una cella di batteria umida in un microscopio elettronico a trasmissione presso l'EMSL, il laboratorio di scienze molecolari ambientali del DOE nel campus del PNNL. Il team ha costruito una batteria così piccola che diverse potrebbero adattarsi a un centesimo. La batteria aveva un elettrodo al silicio e un elettrodo al litio metallico, entrambi contenuti in un bagno di elettrolita.

Strato Mistero

Quando la squadra ha caricato la batteria, videro gonfiarsi l'elettrodo di silicio, come previsto. Però, in condizioni asciutte, l'elettrodo è attaccato a un'estremità alla sorgente di litio e il rigonfiamento inizia solo da un'estremità mentre gli ioni si fanno strada dentro, creando un vantaggio. Nella cella liquida di questo studio, il litio potrebbe entrare nel silicio ovunque lungo la lunghezza dell'elettrodo. Il team ha osservato mentre l'elettrodo si gonfiava per tutta la sua lunghezza allo stesso tempo.

"L'elettrodo è diventato sempre più grasso in modo uniforme. Ecco come accadrebbe all'interno di una batteria, " ha detto Wang.

La quantità totale di rigonfiamento dell'elettrodo era circa la stessa, anche se, se i ricercatori hanno installato una cella della batteria a secco o a umido. Ciò suggerisce che i ricercatori possono utilizzare entrambe le condizioni per studiare alcuni aspetti dei materiali delle batterie.

"Abbiamo studiato i materiali delle batterie con il secco, cella aperta negli ultimi cinque anni, " ha detto Wang. "Siamo lieti di scoprire che la cella aperta fornisce informazioni accurate su come gli elettrodi si comportano chimicamente. È molto più facile da fare, quindi continueremo a usarli".

Per quanto riguarda lo sfuggente strato interfase di elettrolita solido, Wang ha detto che non potevano vederlo in questo esperimento iniziale. In esperimenti futuri, proveranno a ridurre lo spessore dello strato bagnato di almeno la metà per aumentare la risoluzione, che potrebbe fornire dettagli sufficienti per osservare lo strato interfase di elettrolita solido.

"Si ritiene che lo strato abbia proprietà peculiari e influenzi le prestazioni di carica e scarica della batteria, " ha detto Wang. "Tuttavia, i ricercatori non hanno una comprensione concisa o una conoscenza di come si forma, la sua struttura, o la sua chimica. Anche, come cambia con il caricamento e lo scaricamento ripetuti rimane poco chiaro. È roba molto misteriosa. Ci aspettiamo che la cella liquida ci aiuti a scoprire questo strato misterioso".