Observando la electroquímica de una batería en tiempo real

Usando un nuevo método de microscopía, los investigadores del ORNL han podido obtener imágenes y medir los procesos electroquímicos en baterías en tiempo real a una resolución nanométrica. El equipo científico ha usado una célula electroquímica líquida en miniatura en un microscopio de transmisión de electrones para estudiar un enigmático fenómeno de las baterías de ión-litio llamado interfase de electrolito sólido, o SEI.

El SEI es una película a escala nanométrica que se forma en el electrodo negativo de la batería debido a la descomposición del electrolito. Los investigadores están de acuerdo en que la formación y estabilidad del SEI juega un papel clave en el control de la funcionalidad de la batería. Pero tras tres décadas de investigación en el campo de las baterías, los detalles, estructura y química del SEI durante el ciclo electroquímico aún están sujetos a debate,derivada de las dificultades inherentes en el estudio de materiales de los electrodos de la batería en su medio líquido nativo.

Los investigadores de baterías normalmente estudian la estructura y química del SEI mediante métodos "post-mortem", en los cuales una batería de ciclado se desmonta, se seca y luego se analiza mediante un determinado número de métodos de caracterización. La exposición al entorno puede modificar su estructura y química, ya que el SEI es muy sensible al aire y la humedad.

Los investigadores del ORNL formaron una célula electroquímica en miniatura encerrando un electrolito de batería entre dos dispositivos de microchips de silicio que contienen electrodos microfabricados y membranas de visualización de nitruro de silicio. Las "ventanas" transparentes el electrolito de batería de alta volatilidad del entorno de vacío microscópico y permite al haz de electrones pasar a través del líquido, lo cual facilita la visualización de los productos de la reacción electroquímica a medida que se forman.

Para reproducir el ciclo de carga de la batería, los investigadores aplicaron un potencial en el electrodo en funcionamiento y monitorizaron los cambios resultantes en la corriente. El resultado más impactante, dicen los investigadores, fue capturar una visión sin precedentes de la evolución del SEI durante el ciclo de potencial. La técnica es capaz de tomar imágenes de la formación de pequeñas partículas de cristal de un tamaño de tan solo una mil millonénsa de metro.

Los investigadores planean construir este estudio de prueba de principio para comprender mejor los factores tras la formación del SEI, lo que podría en última instancia ayudar a mejorar el rendimiento de las baterías, su capacidad y seguridad a nivel de dispositivo.

Via ORNL