Se ha utilizado una técnica experimental desarrollada por los investigadores de A * STAR para rastrear los cambios químicos y estructurales en un electrodo a medida que se descarga una batería. La técnica basada en rayos X debería ayudar a mejorar el rendimiento de los materiales en las baterías de próxima generación.

Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en nuestra vida diaria, por ejemplo en dispositivos móviles y vehículos eléctricos. Almacenan y liberan energía transportando iones de litio entre dos electrodos (ver imagen). Pero la cantidad de energía que estos electrodos pueden almacenar, y la velocidad a la que se cargan o descargan las baterías, todavía es relativamente limitado. Es más, el uso repetido puede hacer que los electrodos se expandan y contraigan, degradando su desempeño con el tiempo.

Los electrodos que contienen nanotubos de dióxido de titanio organizados en una forma conocida como fase de bronce podrían ayudar a superar estas restricciones porque el material tiene una alta capacidad de carga teórica y su volumen cambia poco durante el funcionamiento. Sin embargo, su mecanismo de carga no se comprende completamente, debido a las limitaciones de las herramientas analíticas que pueden sondear directamente el proceso de carga superficial.

Yonghua Du del Instituto A * STAR de Ciencias Químicas e Ingeniería, y el grupo de Xiaodong Chen en la Universidad Tecnológica de Nanyang han abordado este problema utilizando la fuente de luz de sincrotrón de Singapur para realizar mediciones de espectroscopía de absorción de rayos X en los electrodos de dióxido de titanio durante la operación.

Descubrieron que la carga promedio de los átomos de titanio del material, conocido como su estado de valencia, cayó constantemente de aproximadamente cuatro a tres a medida que el material acumulaba iones de litio durante la descarga. Los experimentos también revelaron cómo la estructura cristalina del material se expandió a medida que los iones de litio se acumulaban en el electrodo. Dado que los átomos de titanio en un estado de valencia baja son ligeramente más grandes que los de un estado de valencia más alta, esto distorsionó aún más la estructura cristalina. "Se produce una transición de fase durante la carga y la descarga, "explica Du.

Pueden ocurrir diferentes mecanismos para el almacenamiento de carga en la superficie del electrodo, que los experimentos cuantificaron por primera vez. Demostraron que la mayor parte de la capacidad de almacenamiento de la batería depende del cambio en el estado de valencia del titanio. Otras pruebas demostraron que los nanotubos huecos de dióxido de titanio podrían almacenar más carga que los nanocables del mismo material.

A medida que aumentaba la tasa de descarga, una mayor proporción de iones de litio se almacenaron en la superficie del electrodo, en lugar de en lo profundo de su estructura. Esto redujo el cambio en el estado de valencia promedio del titanio, lo que finalmente redujo la capacidad energética del electrodo.

Este análisis de cómo funcionan las baterías de iones de litio ayudará a guiar a los investigadores en el diseño de nanoestructuras de electrodos para mejorar el almacenamiento y la movilidad de los iones de litio. Du señala que su técnica de espectroscopia de absorción de rayos X también podría aplicarse a otros materiales de electrodos.