(Phys.org) — Een team onder leiding van Pacific Northwest National Laboratory heeft informatie blootgelegd over veeleisende batterijen die een essentieel onderdeel kunnen verbeteren dat van invloed is op hun prestaties en levensduur. De wetenschappers karakteriseerden de stabiliteit en onderling verbonden afbraakmechanismen in elektrolyten die gewoonlijk worden gebruikt voor lithium-ion, of Li-ion, batterijen. Ze verkregen gedetailleerde chemische beeldvormingsgegevens met behulp van een omgevingsvloeistofstadium in een scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM).

Om nieuwe batterijtechnologieën te ontwikkelen, nieuwe elektrolyten met verhoogde elektrochemische stabiliteit nodig zijn, bij voorkeur vaste elektrolyten zoals anorganische of zoutcomplexen. Het vinden van deze elektrolyten vereist niet-invasieve hulpmiddelen die in situ kunnen worden gebruikt op het actieve deeltjesgrootteniveau - de nanoschaal - om de processen te observeren die plaatsvinden tijdens het gebruik van batterijen. In dit onderzoek, de onderzoekers gebruikten STEM.

"Momenteel, STEM is de enige experimentele techniek die informatie geeft op nanoschaal tijdens de werking van lithium-ionbatterijen, " zei Dr. Nigel Browning, Chief Science Officer voor het Chemical Imaging Initiative van PNNL. "De in situ vloeibare fase in een STEM maakt het mogelijk om de reacties in een batterij in realtime te karakteriseren. Deze studie is een proof of principle van de STEM-benadering die de standaard post-mortemanalyse van lithiumelektrolytafbraakproducten vermijdt."

De gedetailleerde karakterisering van STEM in de vloeistoffase kan unieke inzichten verschaffen in het gedrag van elektrolyten, ofwel voor gebruik in toekomstige in-situ batterijstudies of om nieuwe elektrolyten te testen, het wannen van de bibliotheek met kandidaat-oplossingen voor verdere karakterisering en het verminderen van de experimentele tijd die wordt besteed aan minder effectieve elektrolyten.

In hun studie hebben de wetenschappers onderzochten de stabiliteit van vijf verschillende elektrolyten die gewoonlijk worden gebruikt voor Li-ion- en LiO2-batterijtoepassingen:drie die lithiumhexafluorarsenaatzout bevatten, een met lithiumhexafluorfosfaat, en een met lithiumtriflaat.

De onderzoekers plaatsten miniatuur milieukamers met verschillende elektrolyten in het pad van de STEM-elektronenbundel. Door de elektrolyten in vloeibare toestand te laten onderzoeken, zelfs wanneer geplaatst in het hoogvacuüm van de microscoop, deze kamers simuleerden wat er in een echte batterij wordt gevonden. Vervolgens, de elektronenstraal veroorzaakte een gelokaliseerde elektrochemische reactie in de vloeibare cel die de elektrolytafbraak versnelde - de afbraak van een reeks anorganische/zoutcomplexen. De microscoop verwierf real-time beelden met een resolutie op nanoschaal, met de vroegste stadia van nucleatie van schade.

De wetenschappers gebruikten ook spectroscopie met elektronenenergieverlies om de aanwezigheid van de elektrolyt te verifiëren en andere experimentele parameters te meten.

"Elke elektrolyt gedroeg zich anders in de analyse, " zei dr. Patricia Abellan, een PNNL postdoctoraal fellow en materiaalwetenschapper. "De stabiliteit van de elektrolyten die hier worden onderzocht, correleert met elektrochemische trends die in de literatuur worden gerapporteerd, wat suggereert dat deze techniek mogelijk nieuwe inzichten kan geven in de reductie- en degradatieprocessen die plaatsvinden tijdens de werking van lithium-ionbatterijen."

Zodra het effect van de beeldelektronen volledig is gekalibreerd, deze benadering zou mogelijk inzicht kunnen bieden in de afbraakmechanismen die optreden tijdens de eerste stadia van de interfase van vaste elektrolyten, of SEI, vorming, die de elektrolyt elektrisch isoleert en verdere achteruitgang voorkomt.

"Op een dag in de nabije toekomst, in situ STEM kan worden gebruikt om verschillende processen te bestuderen door middel van directe visualisatie en in realtime, " Zei Abellan. "We zouden het kunnen gebruiken om de huidige state-of-the-art en de volgende generatie elektrolyten te optimaliseren."