Miles de millones de propietarios de teléfonos inteligentes están familiarizados con el temido símbolo de "batería baja" en sus dispositivos. Mientras los consumidores se quejan, Los científicos están trabajando para comprender por qué y cuándo las baterías de iones de litio en los teléfonos, vehículos eléctricos enchufables, y otras aplicaciones pierden carga o fallan.

Una de las mejores herramientas que los científicos están utilizando en esta investigación son los rayos X de las fuentes de luz avanzadas del Departamento de Energía (DOE). Estas fuentes de luz utilizan haces de electrones para producir rayos X que son más de mil millones de veces más fuertes que los del consultorio del dentista. En comparación con los rayos X más débiles disponibles en otras instalaciones, las fuentes de luz permiten a los investigadores recopilar más datos con mayor detalle de lo que podrían hacerlo de otra manera. Los científicos están utilizando estas herramientas únicas para examinar cómo funcionan las baterías de iones de litio en tiempo real.

Del laboratorio a la carretera

En la década de 1990, Los materiales de batería existentes simplemente no eran adecuados para el nivel de potencia y rendimiento necesarios para vehículos eléctricos híbridos o enchufables. En respuesta, Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del DOE utilizaron la Fuente de Fotones Avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para observar interacciones dentro de las baterías a nivel atómico por primera vez.

El APS también permite a los científicos observar lo que sucede a nivel atómico mientras las baterías se cargan y descargan. Con este entendimiento, Los fabricantes pueden mejorar el rendimiento y la vida útil de las baterías y, en última instancia, pueden crear vehículos eléctricos y electrónicos enchufables y electrónicos más asequibles y eficientes.

Los científicos hacen esto usando el APS para observar las baterías in situ, o mientras están funcionando. Previamente, los científicos realizaron pruebas con una batería, lo desarmó, y lo examinó bajo un microscopio. A diferencia de, el estudio de las baterías in situ les permite observar los átomos que se mueven dentro de la batería y medir la estabilidad de la estructura molecular durante el proceso de carga y descarga.

Una vez que los investigadores apoyados por la Oficina de Ciencias mapearon los fundamentos, transfirieron el trabajo a científicos aplicados apoyados por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE. Esa investigación condujo a un nuevo cátodo para baterías de iones de litio que era más seguro, Más asequible, y capaz de almacenar más energía que nunca. (El cátodo es el electrodo positivo en una celda de batería, que acepta iones de litio y electrones del ánodo negativo durante la descarga o el uso). Estos avances fueron tan significativos que Chevrolet utilizó el cátodo en el primer vehículo eléctrico enchufable del mercado masivo:el Volt.

Rayos X:Duros y Blandos

Tanto las máquinas de seguridad del aeropuerto como el APS producen rayos X "duros", que son de mayor energía con longitudes de onda más cortas (menos de 1 nanómetro o 1/100, 000 del grosor de una hoja de papel). Los rayos X duros son muy buenos para penetrar materiales y observar estructuras atómicas.

A diferencia de, Los rayos X "suaves" son de menor energía con longitudes de onda más largas (1-10 nanómetros). Si bien sus longitudes de onda son demasiado largas para examinar las estructuras atómicas, proporcionan "información química realmente exquisita, "según David Shapiro, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE. Usando estas radiografías, los científicos pueden examinar los estados químicos y las transformaciones de estos estados dentro de los nanomateriales. La fuente de luz avanzada en LBNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, es una de las fuentes de rayos X suaves más brillantes del mundo.

Cada una de estas fuentes de luz permite a los científicos estudiar un aspecto diferente del rompecabezas de iones de litio.

"Cada técnica tiene algún tipo de defecto con respecto a la historia completa, "dijo Jason Croy, científico de materiales en Argonne. "[Pero] cada técnica puede ser realmente poderosa para darte ciertos bits de información".

De hecho, los investigadores disfrutan del desafío de unir los diversos hallazgos.

"Es un gran campo porque utiliza las fortalezas de todas las instalaciones, "dijo Shapiro.

Examen de las baterías desde todos los ángulos

Científicos de laboratorios nacionales, universidades y otras instituciones de investigación están utilizando los instrumentos excepcionales de las instalaciones de los usuarios para profundizar en las interacciones del litio. El trabajo en las tres fuentes de luz cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE.

Comprensión de las dislocaciones en Argonne:los investigadores de Argonne se basan en el trabajo que contribuyó al cátodo del Chevrolet Volt. El estudio original buscaba comprender la estructura del litio con manganeso y otras formas de óxidos de metales de transición antes de pasar por múltiples ciclos de carga y descarga.

Ahora, Los científicos están analizando cómo se degrada la estructura de la batería con el tiempo. A medida que la batería se carga y descarga, los iones de litio entran y salen del ánodo y el cátodo. Sin embargo, otros átomos dentro de los electrodos también se mueven, causando daños y reduciendo la capacidad de la batería para entregar energía. Usando el APS, Los científicos examinaron cómo se mueven estos átomos individuales y rastrearon cómo cambia la estructura con el uso.

En la actualidad, los investigadores están alterando las estructuras de las baterías y viendo cómo esos cambios afectan a las baterías. Idealmente, estas modificaciones aumentarán la estabilidad de las estructuras de las baterías, minimizar la degradación, y mejorar su desempeño.

Brookhaven visualiza las baterías en 5D:El Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) del DOE agregó recientemente otra dimensión a la investigación de baterías. Desarrollaron el análisis más completo hasta ahora de las baterías:un mapa químico tridimensional a escala nanométrica que registra los cambios a lo largo del tiempo.

Normalmente, La espectroscopia de rayos X produce imágenes 2-D que muestran el promedio de lo que sucede en toda una muestra. No muestra lo que está sucediendo en capas individuales.

A diferencia de, el equipo de BNL combinó la fuente de luz sincrotrón nacional (NSLS), entonces una instalación de usuario del DOE, y un microscopio de rayos X de transmisión de campo completo único para desarrollar una nueva técnica de nano imágenes de rayos X. Los científicos hicieron girar las muestras de la batería 180 grados bajo rayos X duros de diferentes energías de rayos X.

"Esta es la primera vez [que podemos] monitorear in situ la transformación de fase en 3-D a escala nanométrica en una celda de batería en funcionamiento, "dijo Jun Wang, físico en BNL.

Wang y sus colegas continuarán su trabajo en NSLS-II, que seguirá al NSLS original. El NSLS-II eventualmente proporcionará haces 10, 000 veces más brillante que su predecesor, permitiendo a los científicos estudiar estas reacciones en una escala de tiempo aún más fina.

Carga rápida frente a carga lenta en Lawrence Berkeley:los investigadores de LBNL están examinando el mismo problema, pero desde una perspectiva diferente y usando una máquina diferente. Usando rayos X suaves de la Fuente de luz avanzada (ALS), están analizando cómo la velocidad de carga y si una batería se está cargando o descargando afecta la distribución y el transporte de iones.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford, trabajando con LBNL, construyó una batería transparente a nanoescala que tiene una diez mil millonésima parte de la carga de un teléfono inteligente. Les permite observar el movimiento de los iones de litio individuales.

Idealmente, Los iones deben distribuirse uniformemente a través de los electrodos a medida que se mueven hacia adelante y hacia atrás. Desafortunadamente, ellos no causando estrés en ciertos puntos.

El equipo descubrió que la carga lenta en realidad resultaba en una distribución más irregular que la carga rápida. Esto fue sorprendente teniendo en cuenta que la carga rápida suele considerarse más dañina para la batería. También encontraron que cargar la batería causaba una distribución más desigual que la descarga, o usando la batería, lo hace.

Sobre la base de esta investigación, Los científicos de LBNL pueden reducir una fuente de daño a las baterías, mejorando su rendimiento y vida útil.