Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han desarrollado una nueva técnica que les permite identificar la ubicación de las reacciones químicas que ocurren dentro de las baterías de iones de litio en tres dimensiones a nivel de nanoescala. Sus resultados se publican en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Conocer las ubicaciones precisas de las reacciones químicas dentro de las nanopartículas individuales que participan en esas reacciones nos ayuda a identificar cómo funciona una batería y descubrir cómo se podría optimizar la batería para que funcione aún mejor, "dijo Jordi Cabana, profesor asociado de química en la UIC y coautor del artículo.

A medida que una batería se carga y descarga, sus electrodos, los materiales donde tienen lugar las reacciones que producen energía, se oxidan y reducen alternativamente. Las vías químicas por las que tienen lugar estas reacciones ayudan a determinar la rapidez con la que se agota una batería.

Las herramientas disponibles para estudiar estas reacciones solo pueden proporcionar información sobre la composición promedio de los electrodos en un momento dado. Por ejemplo, pueden informar a un investigador qué porcentaje del electrodo se ha oxidado permanentemente. Pero estas herramientas no pueden proporcionar información sobre la ubicación de las partes oxidadas en el electrodo. Debido a estas limitaciones, no es posible saber si las reacciones se limitan a un área determinada del electrodo, como la superficie del material, o si las reacciones tienen lugar de manera uniforme en todo el electrodo.

"Ser capaz de saber si existe una tendencia a que se produzca una reacción en una parte específica del electrodo, y mejor aun, la ubicación de las reacciones dentro de las nanopartículas individuales en el electrodo, sería extremadamente útil porque entonces podría comprender cómo esas reacciones localizadas se correlacionan con el comportamiento de la batería, como su tiempo de carga o la cantidad de ciclos de recarga que puede realizar de manera eficiente, "Dijo Cabana.

La nueva técnica, llamada tomografía pticográfica de rayos X, surgió a través de una asociación entre químicos de la UIC y científicos de Advanced Light Source, en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Los científicos de Advanced Light Source desarrollaron los algoritmos de instrumentación y medición, que se utilizaron para ayudar a responder preguntas fundamentales sobre los materiales y el comportamiento de las baterías identificadas por el equipo de UIC.

Juntos, Los dos equipos utilizaron la técnica tomográfica para observar decenas de nanopartículas de fosfato de hierro y litio recuperadas de un electrodo de batería que se había cargado parcialmente. Los investigadores utilizaron un Haz a nanoescala de rayos X generado por el acelerador de sincrotrón de alto flujo en la fuente de luz avanzada para interrogar a cada nanopartícula. El patrón de absorción del haz por el material dio a los investigadores información sobre el estado de oxidación del hierro en las nanopartículas del haz de rayos X. Debido a que pudieron mover el rayo solo unos pocos nanómetros y ejecutar su interrogatorio nuevamente, el equipo pudo reconstruir mapas químicos de las nanopartículas con una resolución de aproximadamente 11 nanómetros. Al girar el material en el espacio, podrían crear una reconstrucción tomográfica tridimensional de los estados de oxidación de cada nanopartícula. En otras palabras, podían decir hasta qué punto había reaccionado una nanopartícula individual de fosfato de hierro y litio.

"Con nuestra nueva técnica, no solo pudimos ver que las nanopartículas individuales mostraban diferentes grados de reacción en un momento dado, sino también cómo la reacción se abrió camino a través del interior de cada nanopartícula, "Dijo Cabana.