A sinistra:fumetto che illustra il concetto di degradazione indotta da fascio di elettroni degli elettroliti della batteria agli ioni di litio in condizioni simili a quelle durante il funzionamento della batteria. Una cella fluida viene analizzata con un microscopio elettronico a scansione a trasmissione, o STEM. Gli elettroni nel solvente e altre specie radicali indotte dal fascio di elettroni interagiranno attraverso reazioni chimiche secondarie con un sale di litio e un solvente. A destra:immagine STEM che mostra la rottura indotta dal fascio di elettroni:i due grandi, particelle scure, di sale di litio in una miscela di elettroliti.
(Phys.org) —Un team guidato dal Pacific Northwest National Laboratory ha scoperto informazioni sulle batterie ad alta richiesta che potrebbero migliorare un componente essenziale che influisce sulle loro prestazioni e longevità. Gli scienziati hanno caratterizzato la stabilità e i meccanismi di degradazione interconnessi negli elettroliti comunemente usati per gli ioni di litio, o agli ioni di litio, batterie. Hanno ottenuto dati dettagliati di imaging chimico utilizzando uno stadio liquido ambientale in un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM).
Per sviluppare nuove tecnologie per le batterie, sono necessari nuovi elettroliti con una maggiore stabilità elettrochimica, preferibilmente elettroliti solidi come complessi inorganici o salini. Trovare questi elettroliti richiede strumenti non invasivi che possono essere utilizzati in situ a livello di dimensione delle particelle attive, la nanoscala, per osservare i processi che si verificano durante il funzionamento della batteria. In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato STEM.
"Attualmente, STEM è l'unica tecnica sperimentale che fornisce informazioni su scala nanometrica durante il funzionamento delle batterie agli ioni di litio, " ha detto il dottor Nigel Browning, Direttore scientifico per l'iniziativa di imaging chimico del PNNL. "Lo stadio liquido in situ in uno STEM consente di caratterizzare in tempo reale le reazioni all'interno di una batteria. Questo studio è una prova di principio dell'approccio STEM che evita l'analisi post-mortem standard dei prodotti di degradazione dell'elettrolita di litio".
La caratterizzazione dettagliata offerta dallo STEM allo stadio liquido può fornire approfondimenti unici sul comportamento degli elettroliti, sia per l'uso in futuri studi sulle batterie in situ o per testare nuovi elettroliti, vagliare la libreria di soluzioni candidate per un'ulteriore caratterizzazione e ridurre il tempo sperimentale dedicato agli elettroliti meno efficaci.
Nel loro studio, gli scienziati hanno esplorato la stabilità di cinque diversi elettroliti comunemente usati per le applicazioni delle batterie agli ioni di litio e LiO2:tre che contenevano sale di esafluoroarsenato di litio, uno contenente esafluorofosfato di litio, e uno contenente triflato di litio.
I ricercatori hanno posizionato camere ambientali in miniatura con diversi elettroliti nel percorso del fascio di elettroni dello STEM. Consentendo di esaminare gli elettroliti allo stato liquido, anche se inserito nell'alto vuoto del microscopio, queste camere simulavano ciò che si trova all'interno di una batteria reale. Quindi, il fascio di elettroni ha causato una reazione elettrochimica localizzata all'interno della cella liquida che ha accelerato la degradazione dell'elettrolita, la rottura di una serie di complessi inorganici/salini. Il microscopio ha acquisito immagini in tempo reale con risoluzione su scala nanometrica, mostra le prime fasi della nucleazione del danno.
Gli scienziati hanno anche utilizzato la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni per verificare la presenza dell'elettrolita e misurare altri parametri sperimentali.
"Ogni elettrolita si è comportato in modo diverso nell'analisi, " ha detto la dottoressa Patricia Abellan, un borsista post-dottorato del PNNL e scienziato dei materiali. "La stabilità degli elettroliti qui studiati è correlata alle tendenze elettrochimiche riportate in letteratura, il che suggerisce che questa tecnica potrebbe potenzialmente fornire nuove informazioni sui processi di riduzione e degradazione che si verificano durante il funzionamento delle batterie agli ioni di litio".
Una volta che l'effetto degli elettroni di imaging è completamente calibrato, questo approccio potrebbe potenzialmente fornire informazioni sui meccanismi di degradazione che si verificano durante le prime fasi dell'interfase dell'elettrolita solido, o SEI, formazione, che isola elettricamente l'elettrolita e previene un ulteriore deterioramento.
"Un giorno nel prossimo futuro, STEM in situ potrebbe essere utilizzato per studiare diversi processi attraverso la visualizzazione diretta e in tempo reale, "Abellan ha detto. "Potremmo usarlo per ottimizzare gli attuali elettroliti all'avanguardia e di prossima generazione".
