El equipo de Argonne desarrolla una poderosa técnica para sondear en tres dimensiones la estructura cristalina de los materiales del cátodo a nanoescala.

Una de las muchas fortalezas del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) es su capacidad para reunir equipos multidisciplinarios amplios y profundos para resolver problemas científicos complejos. Estos equipos tienen a su disposición una gran cantidad de instalaciones de clase mundial para realizar investigaciones, incluida la Fuente de fotones avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que proporciona Haces de rayos X de alta energía para la investigación de materiales de vanguardia.

Uno de estos equipos de Argonne ha desarrollado una nueva y poderosa técnica para sondear en tres dimensiones la microestructura cristalina de los materiales del cátodo de las baterías de próxima generación. Este tipo de baterías podrían algún día revolucionar el almacenamiento de energía tanto para el transporte como para la red eléctrica.

"Nuestro proyecto exigía un equipo multidisciplinario con experiencia en materiales y química de baterías, Dispersión de rayos X, programación de computadoras y análisis de datos complejos:experiencia disponible en Argonne, "dijo Raymond Osborn, co-investigador principal de este proyecto en la división de Ciencia de Materiales de Argonne junto con Stephan Rosenkranz. "Este es un ejemplo perfecto de ciencia a escala, aprovechando el equipo multidisciplinario de Argonne y las instalaciones de clase mundial para resolver problemas complejos con un impacto social potencial ".

El equipo incluyó a investigadores de cuatro divisiones de Argonne:Ciencia de Materiales, Ciencias e Ingeniería Química, Ciencia de datos y aprendizaje y ciencia de rayos X. El postdoctoral designado Matthew Krogstad en la división de Ciencia de Materiales fue responsable de las innovaciones clave que hicieron posible el éxito en el proyecto.

También fue clave para el éxito el uso de haces de rayos X de alta energía disponibles solo en instalaciones de sincrotrón como el APS y la Fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell (CHESS) ubicada en la Universidad de Cornell. "Rayos X de muy alta energía, como los disponibles en el APS, penetrar profundamente dentro del material del cátodo, haciendo posibles estas medidas de vanguardia, "dijo Jonathan Lang, director de la división de ciencia de rayos X de APS.

El fruto de este proyecto multidisciplinar es una nueva herramienta importante para sondear lo que ocurre durante el proceso de "intercalación":la inserción de iones entre las capas de un cátodo cuando una batería genera electricidad. Después de este proceso está la "desintercalación":la extracción de esos mismos iones del cátodo cuando una batería se está cargando.

La batería de iones de litio convencional funciona mediante este proceso. En la búsqueda de mejores materiales para cátodos, Los científicos han empleado la difracción de rayos X y electrones para determinar cómo los iones de litio u otros intercaladores pueden desarrollar estructuras ordenadas de largo alcance. Tales estructuras impiden el movimiento de los iones metálicos dentro del cátodo, dificultando así su extracción e inserción durante el ciclo y disminuyendo el rendimiento de la batería.

Oculto a la vista hasta ahora sin embargo, ha sido el orden de corto alcance, que también interrumpe la movilidad iónica, pero no se puede observar mediante técnicas de difracción convencionales.

"El orden de corto alcance es extremadamente difícil de medir y aún más difícil de modelar, "Osborn señaló, "pero los avances recientes en las fuentes de sincrotrón ahora hacen que sea práctico utilizar nuevas técnicas para visualizar los resultados y monitorear las correlaciones iónicas en detalle como una función de la temperatura".

El equipo de investigación primero preparó un monocristal de un material de cátodo de óxido de vanadio en capas con iones de sodio insertados. Seleccionaron este material porque las baterías de iones de sodio se están considerando como una alternativa a las baterías de iones de litio debido a la mayor abundancia y menor costo del sodio.

En APS y CHESS, Luego, los miembros del equipo midieron la dispersión de rayos X de alta energía del cristal y determinaron las correlaciones de corto alcance entre los iones de sodio dentro de la estructura cristalina a diferentes temperaturas. De estas medidas, determinaron la probabilidad de que cada posible sitio atómico dentro de la estructura cristalina estuviera ocupado por un átomo o no, utilizando un método conocido como "3-D-ΔPDF".

"Los datos son de tan alta calidad que estos mapas de probabilidad tridimensionales parecen imágenes a escala atómica, ", Dijo Krogstad." Puede ver dónde están los iones de sodio sin tener que realizar ningún análisis complicado. Nos sorprendió la primera vez que vimos cuán intuitivos eran los resultados de entender ".

Estas "imágenes" tridimensionales revelaron que los iones de sodio forman un patrón en zig-zag en columnas separadas entre los átomos de óxido de vanadio (ver figura). Este orden atómico dentro de la estructura cristalina aumenta al disminuir la temperatura por debajo de la temperatura ambiente. En una batería de sodio, los iones se difundirían a lo largo de las vías en zig-zag.

"Cuanto mayor sea la interrupción en ese patrón en zig-zag, "explicó Osborn, "mejor para la movilidad de iones. Y cuanto mejor es la movilidad de iones, mejor será el rendimiento del material del cátodo ".

"Estos hallazgos están produciendo una comprensión mucho mejor de cómo las transiciones de orden-desorden limitan la movilidad de los iones de sodio, ", Dijo Rosenkranz." Los investigadores también podrían usar tales medidas para evaluar la efectividad de las estrategias para disminuir esos efectos negativos y, por lo tanto, impulsar el rendimiento del cátodo ".

"Si bien nuestra investigación se centró en un material cátodo selecto en una batería de iones de sodio, "añadió Rosenkranz, "Nuestro método se aplica a la investigación del orden de corto alcance en muchos otros materiales cristalinos con una variedad de aplicaciones tecnológicas en función de la temperatura u otras variables".

Esta investigación apareció en Materiales de la naturaleza , "Imagen del espacio recíproco de correlaciones iónicas en compuestos de intercalación".