Los científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han capturado las primeras imágenes a nivel atómico de crecimientos en forma de dedos llamados dendritas que pueden atravesar la barrera entre los compartimientos de la batería y provocar cortocircuitos o incendios. Dendritas y los problemas que causanEsto ha sido un obstáculo en el camino hacia el desarrollo de nuevos tipos de baterías que almacenan más energía para que los autos eléctricos, teléfonos celulares, computadoras portátiles y otros dispositivos puedan pasar más tiempo entre cargas.
Este es el primer estudio que examina la vida interior de las baterías con microscopía crioelectrónica, o cryo-EM, una técnica cuya capacidad para obtener imágenes de proteínas delicadas congeladas por flash y otras "máquinas biológicas" en detalle atómico fue honrada con elPremio Nobel de Química 2017.
Las nuevas imágenes revelan que cada dendrita de metal de litio es un cristal de seis lados largo y bellamente formado, no la forma irregular y sin hueso representada en tomas de microscopio electrónico anteriores. La capacidad de ver este nivel de detalle por primera vez con crio-EM proporcionará a los científicos una herramienta poderosa para comprender cómo funcionan las baterías y sus componentes en el nivel más fundamental y para investigar por qué las baterías de alta energía utilizadas en computadoras portátiles, teléfonos celulares, aviones y automóviles eléctricos a veces fallan, dijeron los investigadores.hallazgos en ciencia hoy
"Esto es súper emocionante y abre oportunidades increíbles", dijo Yi Cui, profesor de SLAC y Stanford e investigador del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía SIMES cuyo grupo realizó la investigación.
"Con cryo-EM, puede mirar un material que es frágil y químicamente inestable y puede preservar su estado prístino, como se ve en una batería real, y mirarlo en alta resolución", dijo.Esto incluye todo tipo de materiales de batería. El metal de litio que estudiamos aquí es solo un ejemplo, pero es emocionante y muy desafiante ".
Dedos volubles de fracaso
El laboratorio de Cui es una de las muchas estrategias en desarrollo para prevenir el daño de las dendritas, como agregar productos químicos al electrolito para evitar que crezcan o desarrollar una batería "inteligente" que se apaga automáticamente cuando detecta que las dendritas están invadiendo la barrera entre las bateríascámaras
Pero hasta ahora, los científicos no habían podido obtener imágenes a escala atómica de dendritas u otras partes sensibles de la batería. El método de elección - microscopía electrónica de transmisión o TEM - era demasiado duro para muchos materiales, incluido el metal de litio.
"La preparación de la muestra TEM se lleva a cabo en el aire, pero el metal de litio se corroe muy rápidamente en el aire", dijo Yuzhang Li, un estudiante graduado de Stanford que dirigió el trabajo con su compañero de estudios Yanbin Li. "Cada vez que intentamos ver el metal litioa gran aumento con un microscopio electrónico, los electrones perforarían agujeros en la dendrita o incluso la fundirían por completo "
"Es como enfocar la luz solar en una hoja con una lupa. Pero si enfría la hoja al mismo tiempo que enfoca la luz sobre ella, el calor se disipará y la hoja no sufrirá daños. Eso es lo que hacemos con la crio-EM. Cuando se trata de obtener imágenes de estos materiales de batería, la diferencia es muy marcada ".
Las baterías toman un baño de congelación
En cryo-EM, las muestras se congelan instantáneamente sumergiéndolas en nitrógeno líquido, luego se cortan para examinarlas bajo el microscopio. Puede congelar una batería de celda de moneda completa en un punto particular de su ciclo de carga-descarga, retire el componentele interesa y vea lo que sucede dentro de ese componente a escala de átomo por átomo. Incluso podría crear una película de acción de parada de la actividad de la batería al unir imágenes hechas en diferentes puntos del ciclo.
Para este estudio, el equipo utilizó un instrumento crio-EM en la Facultad de Medicina de Stanford para examinar miles de dendritas de litio metálico que habían estado expuestas a varios electrolitos. No solo observaron la parte metálica de la dendrita, sino tambiénRecubrimiento llamado SEI, o interfase electrolítica sólida, que se desarrolla a medida que la dendrita reacciona con el electrolito circundante. Este mismo recubrimiento también se forma en electrodos metálicos a medida que las baterías se cargan y descargan, y controlar su crecimiento y estabilidad son cruciales para un funcionamiento eficiente de la batería.
Descubrieron, para su sorpresa, que las dendritas son nanocables cristalinos y facetados que prefieren crecer en ciertas direcciones. Algunos desarrollaron torceduras a medida que crecían, pero su estructura cristalina permaneció sorprendentemente intacta a pesar de las torceduras.
Una lente de zoom para átomos
Acercándose, utilizaron una técnica diferente para observar la forma en que los electrones rebotaban en los átomos en la dendrita, revelando las ubicaciones de los átomos individuales tanto en el cristal como en su recubrimiento SEI. Cuando agregaron un químico comúnmente utilizado para mejorar el rendimiento de la batería, la estructura atómica del recubrimiento SEI se volvió más ordenada, y creen que esto puede ayudar a explicar por qué funciona el aditivo.
"Estábamos realmente emocionados. Esta fue la primera vez que pudimos obtener imágenes tan detalladas de una dendrita, y también vimos la nanoestructura de la capa SEI por primera vez", dijo Yanbin Li. "Esta herramienta puede ayudarentendemos qué hacen los diferentes electrolitos y por qué algunos funcionan mejor que otros "
En adelante, los investigadores dicen que planean centrarse en aprender más sobre la química y la estructura de la capa SEI.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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