a) Schema di una cella di batteria agli ioni di litio ricaricabile con una griglia TEM, che viene utilizzato per l'analisi al microscopio elettronico, sommerso all'interno dell'elettrodo. (b-c) scansione di immagini di microscopia elettronica a trasmissione di un elettrodo NiO quando b) incontaminato (barra della scala 100 nm) e quando c) ha reagito a metà (barra della scala 10 nm).
Gli elettrodi di nanoparticelle nelle batterie agli ioni di litio hanno contributi sia vicino alla superficie che interni alla loro capacità redox, ciascuno con capacità di tasso distinte. Utilizzando la microscopia elettronica combinata, metodi a raggi X di sincrotrone e calcoli ab initio, I ricercatori del Brookhaven National Laboratory hanno studiato le vie di litiazione che si verificano negli elettrodi NiO. Hanno scoperto che l'elettroattivo vicino alla superficie (Ni 2+ →Ni 0 ) siti saturati molto rapidamente, e poi ha incontrato difficoltà inaspettate nel propagare la transizione di fase nell'elettrodo (denominata modalità "shrinking-core").
Però, la capacità interna per Ni 2+ →Ni 0 è accessibile in modo efficiente seguendo la nucleazione delle dita di litiazione, che si propagano nella massa del campione, ma solo dopo un certo tempo di incubazione. Le osservazioni microstrutturali della transizione da una modalità a nucleo a contrazione lenta a una modalità a dito di litiazione più veloce confermano la caratterizzazione del sincrotrone delle batterie di grande formato, e può essere razionalizzato dagli effetti dello stress sul trasporto ad alta velocità di scarico. Il tempo di incubazione finito delle dita di litiazione imposta la limitazione intrinseca per la capacità di velocità (e quindi la potenza) di NiO per i dispositivi di accumulo di energia elettrochimica. Il presente lavoro svela il legame tra i percorsi di reazione su scala nanometrica e la perdita di capacità dipendente dal tasso di C, e fornisce una guida per l'ulteriore progettazione di materiali per batterie che favoriscono la ricarica ad alto tasso C.
Comprendere il legame tra i percorsi di reazione su scala nanometrica e le proprietà elettriche risultanti delle batterie agli ioni di litio può fornire informazioni considerevoli su come migliorare il design generale e la longevità di queste batterie ricaricabili.
Le strutture di microscopia elettronica di CFN sono state utilizzate per l'imaging su scala atomica, spettroscopia, e tomografia durante il processo di litiazione in situ.
