Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en la electrónica doméstica y ahora se utilizan para impulsar vehículos eléctricos y almacenar energía para la red eléctrica. Pero su número limitado de ciclos de recarga y la tendencia a degradar la capacidad a lo largo de su vida útil han estimulado una gran cantidad de investigación para mejorar la tecnología.

Un equipo internacional dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Utilizó técnicas avanzadas en microscopía electrónica para mostrar cómo la proporción de materiales que componen un electrodo de batería de iones de litio afecta su estructura a nivel atómico. y cómo la superficie es muy diferente al resto del material. El trabajo fue publicado en la revista Ciencias de la energía y el medio ambiente .

Saber cómo cambia la estructura interna y de la superficie de un material de batería en una amplia gama de composiciones químicas ayudará a futuros estudios sobre transformaciones de cátodos y también podría conducir al desarrollo de nuevos materiales de batería.

"Este hallazgo podría cambiar la forma en que vemos las transformaciones de fase dentro del cátodo y la pérdida de capacidad resultante en esta clase de material, "dijo Alpesh Khushalchand Shukla, científico de la fundición molecular de Berkeley Lab, y autor principal del estudio. "Nuestro trabajo muestra que es extremadamente importante caracterizar completamente un nuevo material en su estado prístino, así como después de andar en bicicleta, para evitar malas interpretaciones ".

Trabajo previo de investigadores de Molecular Foundry, un centro de investigación especializado en ciencia a nanoescala, reveló la estructura de los materiales del cátodo que contienen "exceso" de litio, resolver un debate de larga data.

Usando un conjunto de microscopios electrónicos tanto en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM), una instalación de fundición molecular, y en SuperSTEM, el Centro de Investigación Nacional para Microscopía Electrónica Avanzada en Daresbury, REINO UNIDO., El equipo de investigación descubrió que, si bien los átomos en todo el interior del material del cátodo permanecían en el mismo patrón estructural en todas las composiciones, la disminución de la cantidad de litio provocó un aumento de la aleatoriedad en la posición de ciertos átomos dentro de la estructura.

Al comparar diferentes composiciones de material de cátodo con el rendimiento de la batería, los investigadores también demostraron que era posible optimizar el rendimiento de la batería en relación con la capacidad mediante el uso de una proporción más baja de litio con respecto a otros metales.

El hallazgo más sorprendente fue que la estructura de la superficie de un cátodo no utilizado es muy diferente del interior del cátodo. Una fina capa de material en la superficie que posee una estructura diferente, llamada fase "espinela", se encontró en todos sus experimentos. Varios estudios anteriores habían pasado por alto que esta capa podría estar presente tanto en cátodos nuevos como usados.

Variando sistemáticamente la proporción de litio a un metal de transición, como probar diferentes cantidades de ingredientes en una nueva receta de galletas, el equipo de investigación pudo estudiar la relación entre la superficie y la estructura interior y medir el comportamiento electroquímico del material. El equipo tomó imágenes de cada lote de materiales del cátodo desde múltiples ángulos y creó imágenes completas, Representaciones tridimensionales de cada estructura.

"Obteniendo tan precisos, La información a nivel atómico sobre escalas de longitud relevantes para las tecnologías de baterías fue un desafío, "dijo Quentin Ramasse, Director del Laboratorio SuperSTEM. "Este es un ejemplo perfecto de por qué las múltiples técnicas de imagen y espectroscopía disponibles en microscopía electrónica la convierten en una herramienta tan indispensable y versátil en la investigación de energías renovables".

Los investigadores también utilizaron una técnica recientemente desarrollada llamada microscopía electrónica de transmisión de barrido 4-D (4-D STEM). En microscopía electrónica de transmisión (TEM), las imágenes se forman después de que los electrones atraviesan una muestra delgada. En microscopía de electrodos de transmisión de barrido convencional (STEM), el haz de electrones se enfoca hacia un punto muy pequeño (tan pequeño como 0,5 nanómetros, o mil millonésimas de metro, de diámetro) y luego ese punto se escanea hacia adelante y hacia atrás sobre la muestra como una cortadora de césped en un césped.

El detector en STEM convencional simplemente cuenta cuántos electrones están dispersos (o no) en cada píxel. Sin embargo, en 4D-STEM, los investigadores utilizan un detector de electrones de alta velocidad para registrar dónde se dispersa cada electrón, desde cada punto escaneado. Permite a los investigadores medir la estructura local de su muestra a alta resolución en un gran campo de visión.

"La introducción de cámaras electrónicas de alta velocidad nos permite extraer información a escala atómica de muestras de dimensiones muy grandes, "dijo Colin Ophus, un científico investigador en NCEM. "Los experimentos 4D-STEM significan que ya no necesitamos hacer un intercambio entre las características más pequeñas que podemos resolver y el campo de visión que estamos observando; podemos analizar la estructura atómica de la partícula completa a la vez".