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    Los rayos X descubren una propiedad oculta que provoca fallas en el material de una batería de iones de litio

    Las baterías de iones de litio que se utilizan comúnmente para alimentar autobuses eléctricos y herramientas inalámbricas y aspiradoras a menudo están compuestas por miles de millones de nanopartículas de fosfato de hierro y litio, el material de la batería investigado en este documento. El material también se puede utilizar para el almacenamiento de energía eólica y solar en redes eléctricas. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

    Durante las últimas tres décadas, baterías de iones de litio, Baterías recargables que mueven iones de litio hacia adelante y hacia atrás para cargar y descargar, han habilitado dispositivos más pequeños que funcionan más rápido y duran más.

    Ahora, Los experimentos de rayos X en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han revelado que las vías que toman los iones de litio a través de un material de batería común son más complejas de lo que se pensaba anteriormente. Los resultados corrigen más de dos décadas de suposiciones sobre el material y ayudarán a mejorar el diseño de la batería. potencialmente conduciendo a una nueva generación de baterías de iones de litio.

    Un equipo internacional de investigadores, dirigido por William Chueh, un científico de la facultad en el Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía de SLAC y un profesor de ciencia de materiales de Stanford, publicó estos hallazgos hoy en Materiales de la naturaleza .

    "Antes, era como una caja negra, "dijo Martin Bazant, profesor del Instituto de Tecnología de Massachusetts y otro líder del estudio. "Se podía ver que el material funcionaba bastante bien y que ciertos aditivos parecían ayudar, pero no se podía saber exactamente a dónde van los iones de litio en cada paso del proceso. Solo puede intentar desarrollar una teoría y trabajar al revés a partir de las mediciones. Con nuevos instrumentos y técnicas de medición, estamos empezando a tener una comprensión científica más rigurosa de cómo funcionan realmente estas cosas ".

    El 'efecto palomitas de maíz'

    Cualquiera que haya viajado en un autobús eléctrico, trabajó con una herramienta eléctrica o utilizó una aspiradora inalámbrica probablemente haya cosechado los beneficios del material de la batería que estudiaron, fosfato de hierro y litio. También se puede utilizar para la función start-stop en automóviles con motores de combustión interna y almacenamiento de energía eólica y solar en redes eléctricas. Una mejor comprensión de este material y otros similares podría conducir a una carga más rápida, Baterías más duraderas y duraderas. Pero hasta hace poco los investigadores solo pudieron adivinar los mecanismos que le permiten funcionar.

    Cuando las baterías de iones de litio se cargan y descargan, los iones de litio fluyen de una solución líquida a un depósito sólido. Pero una vez en el sólido el litio puede reorganizarse, a veces haciendo que el material se divida en dos fases distintas, tanto como el aceite y el agua se separan cuando se mezclan. Esto provoca lo que Chueh denomina "efecto palomitas de maíz". Los iones se agrupan en puntos calientes que terminan acortando la vida útil de la batería.

    En este estudio, Los investigadores utilizaron dos técnicas de rayos X para explorar el funcionamiento interno de las baterías de iones de litio. En la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, hicieron rebotar rayos X de una muestra de fosfato de hierro y litio para revelar su estructura atómica y electrónica. dándoles una idea de cómo se movían los iones de litio en el material. En la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, utilizaron microscopía de rayos X para ampliar el proceso, permitiéndoles mapear cómo la concentración de litio cambia con el tiempo.

    Nadar contra la corriente

    Previamente, Los investigadores pensaron que el fosfato de hierro y litio era un conductor unidimensional, lo que significa que los iones de litio solo pueden viajar en una dirección a través de la mayor parte del material, como el salmón nadando contra la corriente.

    Pero mientras revisa sus datos, los investigadores notaron que el litio se movía en una dirección completamente diferente en la superficie del material de lo que cabría esperar según los modelos anteriores. Era como si alguien hubiera arrojado una hoja a la superficie del arroyo y hubiera descubierto que el agua fluía en una dirección completamente diferente a la del salmón nadando.

    Cuando los iones de litio fluyen hacia el electrodo sólido de la batería, que se ilustra aquí en cortes hexagonales, el litio puede reorganizarse, haciendo que los iones se agrupen en puntos calientes que terminan acortando la vida útil de la batería. Crédito:Universidad de Stanford / 3Dgraphic

    Trabajaron con Saiful Islam, profesor de química en la Universidad de Bath, REINO UNIDO, desarrollar modelos informáticos y simulaciones del sistema. Aquellos revelaron que los iones de litio se movían en dos direcciones adicionales en la superficie del material, haciendo del fosfato de hierro y litio un conductor tridimensional.

    "Como resulta, estas vías adicionales son problemáticas para el material, promover el comportamiento de palomitas de maíz que conduce a su fracaso, ", Dijo Chueh." Si se puede hacer que el litio se mueva más lentamente en la superficie, Hará que la batería sea mucho más uniforme. Esta es la clave para desarrollar baterías de mayor rendimiento y mayor duración ".

    Una nueva frontera en la ingeniería de baterías

    Aunque el fosfato de hierro y litio ha existido durante las últimas dos décadas, la capacidad de estudiarlo a nanoescala y durante el funcionamiento de la batería no fue posible hasta hace solo un par de años.

    "Esto explica cómo una propiedad tan crucial del material ha pasado desapercibida durante tanto tiempo, "dijo Yiyang Li, quien dirigió el trabajo experimental como estudiante de posgrado y becario postdoctoral en Stanford y SLAC. "Con las nuevas tecnologías, siempre hay propiedades nuevas e interesantes por descubrir acerca de los materiales que te hacen pensar en ellos de manera un poco diferente ".

    Este trabajo es uno de los primeros artículos que surgen de una colaboración entre Bazant, Chueh y varios otros científicos como parte de un centro de investigación financiado por el Toyota Research Institute que utiliza la teoría y el aprendizaje automático para diseñar e interpretar experimentos avanzados.

    Estos hallazgos más recientes, Bazant dijo:crear una historia más compleja que los teóricos e ingenieros tendrán que considerar en el trabajo futuro.

    "Desarrolla aún más el argumento de que la ingeniería de las superficies de las baterías de iones de litio es realmente la nueva frontera, ", dijo." Ya hemos descubierto y desarrollado algunos de los mejores materiales a granel. Y hemos visto que las baterías de iones de litio todavía progresan a un ritmo bastante notable:siguen mejorando cada vez más. Esta investigación está permitiendo el avance constante de una tecnología probada que realmente funciona. Estamos construyendo sobre un conocimiento importante que se puede agregar al conjunto de herramientas de los ingenieros de baterías a medida que intentan desarrollar mejores materiales ".

    Abarcando diferentes escalas

    Para dar seguimiento a este estudio, los investigadores continuarán combinando modelos, simulación y experimentos para tratar de comprender cuestiones fundamentales sobre el rendimiento de la batería en diferentes escalas de tiempo y duración con instalaciones como la fuente de luz coherente Linac de SLAC, o LCLS, donde los investigadores podrán sondear saltos iónicos individuales que ocurren en escalas de tiempo tan rápido como una billonésima de segundo.

    "Uno de los obstáculos para el desarrollo de tecnologías de baterías de iones de litio es el enorme lapso de duración y escalas de tiempo involucradas, "Dijo Chueh." Los procesos clave pueden suceder en una fracción de segundo o durante muchos años. El camino a seguir requiere mapear estos procesos en longitudes que van desde metros hasta el movimiento de los átomos. En SLAC, estamos estudiando los materiales de las baterías en todas estas escalas. Combinar eso con el modelado y la experimentación es realmente lo que hizo posible esta comprensión ".


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