(Phys.org)-Ett team som leds av Pacific Northwest National Laboratory har avslöjat information om batterier med hög efterfrågan som kan förbättra en väsentlig komponent som påverkar deras prestanda och livslängd. Forskarna karakteriserade stabiliteten och sammankopplade nedbrytningsmekanismer i elektrolyter som vanligtvis används för litiumjon, eller Li-ion, batterier. De erhöll detaljerade kemiska bilddata med hjälp av ett miljömässigt vätskestadium i ett skanningsöverföringselektronmikroskop (STEM).

För att utveckla ny batteriteknik, nya elektrolyter med ökad elektrokemisk stabilitet behövs, företrädesvis fasta elektrolyter, såsom oorganiska eller saltkomplex. För att hitta dessa elektrolyter krävs icke-invasiva verktyg som kan användas in situ vid den aktiva partikelstorleksnivån-nanoskala-för att observera de processer som uppstår under batteridrift. I den här studien, forskarna använde STEM.

"För närvarande, STEM är den enda experimentella tekniken som ger information på nanoskala under drift av litiumjonbatterier, "sa Dr Nigel Browning, Chief Science Officer för PNNL:s Chemical Imaging Initiative. "In situ vätskestadiet i ett STEM gör att reaktionerna inuti ett batteri kan karakteriseras i realtid. Denna studie är ett principbevis för STEM-tillvägagångssättet som undviker standardanalysen efter slakt av litiumelektrolytnedbrytningsprodukter."

Den detaljerade karaktärisering som STEM i vätskesteg erbjuder kan ge unika insikter om elektrolytbeteende, antingen för användning i framtida in situ -batteristudier eller för att testa nya elektrolyter, vinner biblioteket med kandidatlösningar för ytterligare karakterisering och minskar den experimentella tiden som spenderas på mindre effektiva elektrolyter.

I deras studie, forskarna undersökte stabiliteten hos fem olika elektrolyter som vanligtvis används för Li-ion- och LiO2-batteritillämpningar:tre som innehöll litiumhexafluoroarsenatsalt, en som innehåller litiumhexafluorfosfat, och en som innehåller litiumtriflat.

Forskarna placerade miniatyrmiljökammare med olika elektrolyter i vägen för STEM:s elektronstråle. Genom att låta elektrolyterna undersökas i flytande tillstånd, även när det sätts in i mikroskopets högvakuum, dessa kamrar simulerade vad som finns i ett verkligt batteri. Sedan, elektronstrålen orsakade en lokaliserad elektrokemisk reaktion inuti vätskecellen som påskyndade elektrolytnedbrytningen-nedbrytningen av en rad oorganiska/saltkomplex. Mikroskopet förvärvade bilder i realtid med nanoskalaupplösning, visar de tidigaste stadierna av skadekärnbildning.

Forskarna använde också elektronenergiförlustspektroskopi för att verifiera förekomsten av elektrolyten och mäta andra experimentella parametrar.

"Varje elektrolyt betedde sig annorlunda i analysen, "sa doktor Patricia Abellan, en PNNL postdoktor och materialvetare. "Stabiliteten hos de här undersökta elektrolyterna korrelerar med elektrokemiska trender som rapporterats i litteraturen, vilket tyder på att denna teknik potentiellt kan ge nya insikter om de reducerings- och nedbrytningsprocesser som sker under driften av litiumjonbatterier. "

När effekten av bildelektronerna är helt kalibrerad, detta tillvägagångssätt kan eventuellt ge insikter om de nedbrytningsmekanismer som uppstår under de första stadierna av fast elektrolytinterfas, eller SEI, bildning, som isolerar elektrolyten elektriskt och förhindrar ytterligare försämring.

"En dag inom en snar framtid, in situ STEM kan användas för att studera olika processer genom direkt visualisering och i realtid, "Abellan sa." Vi kan använda den för att optimera nuvarande toppmoderna och nästa generations elektrolyter. "