Se espera que las baterías de iones de litio tengan un valor de mercado global de $ 47 mil millones para 2023. Se utilizan en numerosas aplicaciones, porque ofrecen una densidad de energía relativamente alta (capacidad de almacenamiento), alto voltaje de funcionamiento, larga vida útil y poco "efecto memoria":una reducción en la capacidad máxima de una batería recargable debido a descargas incompletas en usos anteriores. Sin embargo, factores como la seguridad, los ciclos de carga-descarga y la vida útil operativa continúan limitando la efectividad de las baterías de iones de litio en aplicaciones de servicio pesado, como para alimentar vehículos eléctricos.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Virginia están empleando técnicas de imágenes de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge para sondear baterías de iones de litio y obtener información sobre las características electroquímicas de los materiales y estructuras de las baterías. Su investigación, publicado en el Diario de fuentes de energía , se centró en el seguimiento de los procesos de litiación y delitiación, o de carga y descarga, en electrodos de baterías de iones de litio utilizando muestras sinterizadas delgadas y gruesas de dos materiales electroactivos, titanato de litio y óxido de cobalto de litio.

Comprender cómo se mueve el litio en los electrodos de la batería es importante para diseñar baterías que puedan cargarse y descargarse a velocidades más rápidas. En algunas baterías, este es el proceso más lento, lo que significa que mejorar el movimiento del litio a través de los electrodos podría resultar en baterías que se pueden recargar mucho más rápido.

"Cuando los electrodos son relativamente gruesos, El transporte de iones de litio a través del material poroso y la arquitectura del separador puede limitar las tasas de carga y descarga. "dijo Gary Koenig, profesor asociado de ingeniería química en UVA Engineering. "Desarrollar métodos para mejorar el transporte de iones de litio a través de las regiones vacías porosas de un electrodo llenas de electrolito, primero necesitamos poder rastrear el transporte y distribución de los iones dentro de una celda durante los procesos de carga y descarga ".

Según Koenig, Otras técnicas, como la difracción de rayos X de alta resolución, pueden proporcionar datos estructurales detallados durante los procesos electroquímicos. pero este método normalmente promedia volúmenes relativamente grandes del material. Similar, Las imágenes de fase de rayos X pueden visualizar las concentraciones de sal en los electrolitos de la batería, pero la técnica requiere una celda espectroquímica especial y solo puede acceder a información de composición entre las regiones de los electrodos.

Para obtener información detallada en un área más amplia, los investigadores llevaron a cabo sus estudios utilizando neutrones en la línea de luz de imágenes de neutrones fríos en el reactor de isótopos de alto flujo de Oak Ridge.

"El litio tiene un gran coeficiente de absorción de neutrones, lo que significa que los neutrones que atraviesan un material son muy sensibles a sus concentraciones de litio, "dijo Ziyang Nie, autor principal y estudiante de posgrado en el grupo de Koenig. "Demostramos que podíamos usar radiografías de neutrones para rastrear la litiación in situ en cátodos de óxido metálico delgados y gruesos dentro de las celdas de la batería. Debido a que los neutrones son altamente penetrantes, no tuvimos que construir celdas personalizadas para el análisis y pudimos rastrear el litio en toda la región activa que contiene tanto electrodos como electrolitos ".

Comparar el proceso de litiación en electrodos delgados y gruesos es esencial para ayudar a comprender los efectos de la heterogeneidad:variaciones locales en la mecánica, estructural, transporte y propiedades cinéticas:sobre la duración y el rendimiento de la batería. La heterogeneidad local también puede resultar en una corriente de batería no uniforme, temperaturas estado de carga y envejecimiento. Típicamente, a medida que aumenta el grosor de un electrodo, también lo hacen los efectos perjudiciales de la heterogeneidad en el rendimiento de la batería. Todavía, Si se pudieran usar ánodos y cátodos más gruesos en baterías sin afectar otros factores, ayudaría a aumentar la capacidad de almacenamiento de energía.

Para los experimentos iniciales, las muestras de electrodos delgados tenían espesores de 0,738 mm para titanato de litio y 0,463 mm para óxido de cobalto y litio, mientras que las muestras espesas de titanato de litio y óxido de litio y cobalto eran de 0,886 mm y 0,640 mm, respectivamente.

"Nuestro objetivo inmediato es desarrollar un modelo que nos ayude a comprender cómo modificar la estructura de un electrodo, como cambiar la forma en que se orienta o distribuye el material, podría mejorar las propiedades de transporte de iones, "Dijo Koenig." Al obtener imágenes de cada muestra en diferentes puntos en el tiempo, pudimos crear mapas 2-D de distribución de litio. En el futuro, planeamos rotar nuestras muestras dentro del haz de neutrones para proporcionar información tridimensional que revelará con más detalle cómo la heterogeneidad afecta el transporte de iones ".