Na busca por baterias recarregáveis de baixo custo de longa duração, os pesquisadores a desenvolver métodos mais realistas para estudar os materiais em ação
- Eletrólitos líquidos de baterias faz esse ponto de vista de um eletrodo sem carga (em cima) e um eletrodo de carga (em baixo) um pouco confuso. Imagem cedida por Gu et al, Nano Letters 2013
Richland, Washington - Pesquisadores desenvolveram uma maneira de ver microscopicamente eletrodos da bateria, enquanto eles são banhadas em eletrólitos molhadas, imitando condições realistas dentro de baterias reais. Enquanto ciências da vida pesquisadores usam regularmente microscopia eletrônica de transmissão para estudar ambientes úmidos, os cientistas desta vez aplicou com sucesso para pesquisa de bateria recarregável.
Os resultados, relatados em 11 de dezembro de questão da Nano Letters , é uma boa notícia para os cientistas que estudam materiais de bateria em condições secas. O trabalho revelou que muitos aspectos pode ser estudado sob condições secas, que são muito mais fáceis de usar. No entanto, são necessárias condições de chuva para estudar a camada de interfase eletrólito sólido de difícil encontrar um revestimento que se acumula na superfície do eletrodo e dramaticamente influencia o desempenho da bateria.
"A célula de líquido nos deu informação global sobre como os eletrodos se comportar em um ambiente bateria", disse o cientista de materiais Chongmin Wang, do Departamento de Energia do Pacific Northwest National Laboratory . "E isso vai nos ajudar a encontrar a camada de eletrólito sólido. Foi difícil de visualizar diretamente com detalhe suficiente".
Ebb, Flow, Swell
Mesmo que a eletricidade parece invisível, armazenamento e usá-la em baterias tem alguns efeitos muito físicos. Carregar uma bateria compotas elétrons para o eletrodo negativo, onde os íons de lítio carregados positivamente (ou outro íon metálico como o sódio) na corrida para encontrar e prender os elétrons. Esses íons têm que caber dentro de poros dentro do eletrodo.
Ligando um dispositivo com uma bateria faz com que os elétrons fluam para fora do eletrodo. Os iões positivos, deixados para trás, surge através do corpo da bateria e retornar para o eléctrodo positivo, onde aguardam uma outra carga.
Wang e seus colegas usaram microscópios de alta potência para ver como o fluxo e refluxo de íons carregados positivamente deformar eletrodos. Espremendo nos poros do eletrodo faz com que os eletrodos de inchar, e uso repetido pode usá-los para baixo. Por exemplo, o trabalho recente financiado pelo Centro Conjunto de Pesquisa de armazenamento de energia - uma DOE Energia Innovation Hub criado para acelerar o desenvolvimento da bateria - mostrou que os íons de sódio deixar bolhas de trás, potencialmente interferir com a função da bateria.
Mas até este ponto, os microscópios eletrônicos de transmissão só foram capazes de acomodar as células da bateria seca, o que os pesquisadores se referem a células como abertas. Em uma bateria de verdade, os eletrodos são banhadas em eletrólitos líquidos que fornecem um ambiente íons pode facilmente passar através.
Assim, trabalhando com colegas JCESR, Wang liderou o desenvolvimento de uma célula de bateria molhada em um microscópio eletrônico de transmissão em EMSL, Laboratório de Ciências Molecular Ambiental do DOE, no campus PNNL. A equipe construiu uma bateria tão pequena que vários poderia caber em um centavo. A bateria tinha um eléctrodo de silício e de um eléctrodo de metal de lítio, ambos contidos em um banho de electrólito.
Mistério Camada
Quando a equipe carregado a bateria, eles viram o swell eletrodo de silício, como esperado. No entanto, em condições secas, o eléctrodo está ligado a uma extremidade da fonte de lítio - e o inchaço é iniciado em apenas uma extremidade, como os iões de empurrar o seu caminho dentro, criando um bordo de ataque . Na célula líquido deste estudo, o lítio poderia entrar no silício em qualquer lugar ao longo do comprimento do eletrodo. A equipe observou o eletrodo inchou ao longo de toda sua extensão, no mesmo tempo .
"O eletrodo tem mais gordo e mais gordo de maneira uniforme. Isto é como isso iria acontecer dentro de uma bateria", disse Wang.
O valor total do eletrodo inchou foi aproximadamente o mesmo, porém, se os pesquisadores montaram uma célula de bateria seca ou molhada. Isso sugere que os pesquisadores podem usar qualquer condição para estudar certos aspectos materiais da bateria.
"Estamos estudando materiais de bateria com o celular, aberta seca para os últimos cinco anos", disse Wang. "Estamos felizes em descobrir que a célula aberta fornece informações precisas com relação a como se comportar eletrodos quimicamente. É muito mais fácil de fazer, então vamos continuar a usá-los."
Quanto à camada interfase eletrólito sólido indescritível vai, Wang disse que não podia vê-lo nesta experiência inicial. Em experimentos futuros, eles vão tentar reduzir a espessura da camada úmida por pelo menos metade para aumentar a resolução, o que pode fornecer detalhes suficientes para observar a camada de interfase eletrólito sólido.
"A camada é percebido como tendo propriedades peculiares e de influenciar a carga e descarga de desempenho da bateria", disse Wang. "No entanto, os pesquisadores não têm uma compreensão concisa ou o conhecimento de como se forma, sua estrutura, ou a sua química. Além disso, como ela muda com carregamento repetido e descarga ainda não está claro. É uma coisa muito misteriosa. Esperamos que a célula de líquido vai ajudar nos a descobrir esta camada mistério. "
Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Escritórios da Energia da Ciência e da Eficiência Energética e Energias Renováveis.
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