Estas son partículas de LFP vistas por un microscopio electrónico de transmisión con superposición de la información química vista por un microscopio de rayos X de transmisión de barrido. El rojo representa el fosfato de hierro y litio, mientras que el verde representa el fosfato de hierro. o LFP sin litio. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
Los investigadores de Sandia National Laboratories han confirmado el mecanismo partícula por partícula mediante el cual los iones de litio entran y salen de los electrodos hechos de fosfato de hierro y litio (LiFePO 4 , o LFP), hallazgos que podrían conducir a un mejor rendimiento de las baterías de iones de litio en vehículos eléctricos, equipos médicos y aeronaves.
La investigación se informa en un artículo titulado, "La vía de intercalación en el electrodo de LiFePO4 de muchas partículas revelada por el mapeo del estado de carga a nanoescala" en la revista Nano letras , 2013, 13 (3), págs. 866-872. Los autores incluyen al físico de Sandia Farid El Gabaly y William Chueh de la Universidad de Stanford.
LFP, un mineral natural de la familia del olivino, es uno de los materiales más nuevos que se utilizan en las baterías de iones de litio y se sabe que es más seguro y duradero que el óxido de cobalto de litio (LiCoO 2 ) compuesto utilizado en teléfonos inteligentes, portátiles y otros productos electrónicos de consumo.
Si bien el material LFP es intrigante para los investigadores y los fabricantes de baterías por esas razones, El proceso por el cual los iones de litio entran y salen de la LFP a medida que la batería almacena y libera su energía no se comprende bien. Esto ha demostrado ser una barrera para la adopción generalizada del material.
Los materiales de cátodos como LFP son fundamentales en la búsqueda de mayor capacidad, larga vida, Baterías de iones de litio para aplicaciones en las que las baterías no se pueden reemplazar tan fácilmente o con tanta frecuencia como en la electrónica de consumo. Las aplicaciones más grandes en las que las celdas de óxido de cobalto de litio eventualmente podrían ser reemplazadas por baterías LFP incluyen vehículos eléctricos y aviones.
Movimientos de partículas similares a palomitas de maíz vistos mediante técnica de microscopía
Al observar las secciones transversales completas de la batería, los investigadores han proporcionado información clave sobre una controversia sobre el proceso que limita las tasas de carga y descarga de la batería.
Los intentos anteriores de optimizar la velocidad de carga / descarga han incluido recubrir las partículas para aumentar su conductividad eléctrica y reducir el tamaño de las partículas para acelerar su transformación. pero han pasado por alto el proceso de iniciación que bien puede ser el paso crítico limitante en la forma en que el litio se mueve desde el exterior de una partícula hacia su interior.
Mediante el uso de microscopía de rayos X para examinar rebanadas ultrafinas de una batería de calidad comercial, Los investigadores de Sandia encontraron evidencia de que la carga y descarga en LFP está limitada por el inicio de la transformación de fase, o nucleación, y no se ve afectado por el tamaño de las partículas.
El electrodo LFP forma un mosaico de partículas homogéneas que se encuentran en un estado rico o pobre en litio. La investigación de Sandia confirma la partícula por partícula, o mosaico, ruta de las transformaciones de fase debido a la inserción de iones de litio en el cátodo. Los hallazgos contradicen las suposiciones anteriores.
"Una teoría de la propagación decía que cuando todas las partículas estaban expuestas al litio, todos comenzarían a descargarse lentamente juntos en una transformación de fase concurrente, ", dijo El Gabaly." Ahora hemos visto que el proceso es más parecido a las palomitas de maíz. Una partícula está completamente descargada, luego el siguiente, y van uno a uno como palomitas, absorbiendo el litio ".
El físico de Sandia National Laboratories Farid El Gabaly alinea una muestra de electrodo de batería de litio-hierro-fosfato para caracterización química con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X. Luego, las muestras se cortarán en rodajas finas para la microscopía de rayos X de sincrotrón de última generación. Crédito:Jeff McMillan, Laboratorios Nacionales Sandia
Cortar y cortar en cubitos ayuda a comprender la carga de iones de litio
Los iones de litio entran y salen de los materiales de los electrodos de la batería a medida que se cargan y descargan. Cuando se carga una batería de iones de litio recargable, una fuente de voltaje externa extrae iones de litio del material del cátodo (electrodo positivo), en un proceso conocido como "delitiación". Los iones de litio se mueven a través del electrolito y se insertan (intercalan) en el material del ánodo (electrodo negativo), en un proceso conocido como "litiación". El mismo proceso ocurre a la inversa cuando se descarga energía de la batería.
"Observamos que solo había dos fases, donde la partícula tenía litio o no, "dijo El Gabaly." En muchos estudios previos, los investigadores se han centrado en comprender el proceso de carga dentro de una partícula ".
El Gabaly y sus colegas de Sandia tomaron una rebanada un poco más gruesa que un cabello humano de una batería de calidad comercial, solo una capa de partículas LFP, y mapeó las ubicaciones del litio en aproximadamente 450 partículas cuando la batería estaba en diferentes estados de carga.
"Nuestro descubrimiento fue posible al mapear el litio en un conjunto de partículas relativamente grande, " él dijo.
Muchas herramientas las instalaciones contribuyen a la investigación
Los investigadores pudieron construir una batería de celda de moneda de grado comercial a partir de materias primas utilizando la instalación de creación de prototipos de batería de celda de Sandia en Nuevo México. que es la instalación más grande del Departamento de Energía equipada para fabricar pequeños lotes de celdas de iones de litio. Luego se cargó la batería, probado para comportamiento normal, y desmontado en Sandia's Livermore, Calif., instalación a través de un nuevo método de corte de capas que conservaba la disposición espacial desde el cátodo hasta el ánodo.
Los investigadores de Sandia fueron al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para caracterizar los materiales con microscopía de rayos X de transmisión de barrido (STXM) de última generación en la fuente de luz avanzada (ALS), y luego regresó al sitio de Sandia en California para su estudio mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM).
"La espectroscopia de rayos X del ALS le dice qué hay dentro de una partícula individual, o donde está el litio, pero tiene una resolución espacial baja. Necesitábamos la microscopía electrónica de la misma rebanada para decirnos dónde estaban distribuidas todas las partículas en toda la capa de la batería, "dijo Chueh, ex Becaria Sandia Truman, autora principal del artículo de la revista y profesora asistente y becaria del centro en el Instituto de Energía Precourt de la Universidad de Stanford.
El equipo de investigación de Sandia y otros presentaron sus hallazgos técnicos en la reciente Reunión de Primavera de la Sociedad de Investigación de Materiales en San Francisco. Como resultado de esa presentación, El Gabaly dijo, otros investigadores están utilizando los resultados para validar modelos teóricos. El equipo también puede asociarse con la industria, dado que una empresa ya ha indicado un gran interés en que Sandia lleve a cabo estudios similares sobre diferentes materiales de batería más complejos.
