Los ingenieros se esfuerzan por diseñar teléfonos inteligentes con baterías de mayor duración, vehículos eléctricos que pueden conducir cientos de millas con una sola carga, y una red eléctrica confiable que pueda almacenar energía renovable para uso futuro. Cada una de estas tecnologías está al alcance, es decir, si los científicos pueden construir mejores materiales para cátodos.

Hasta la fecha, la estrategia típica para mejorar los materiales del cátodo ha sido alterar su composición química. Pero ahora, Los químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han hecho un nuevo hallazgo sobre el rendimiento de la batería que apunta a una estrategia diferente para optimizar los materiales del cátodo. Su investigación, publicado en Química de Materiales y aparece en Elección de los editores de ACS , se centra en controlar la cantidad de defectos estructurales en el material del cátodo.

"En lugar de cambiar la composición química del cátodo, podemos alterar la disposición de sus átomos, "dijo el autor correspondiente Peter Khalifah, químico en Brookhaven Lab y Stony Brook University.

Hoy dia, la mayoría de los materiales de cátodos están compuestos por capas alternas de iones de litio y metales de transición, como el níquel. Dentro de esa estructura en capas, Por lo general, se puede encontrar una pequeña cantidad de defectos. Eso significa que los átomos de un metal de transición se pueden encontrar donde se supone que está un ión de litio y viceversa.

"Puede pensar en un defecto como un 'error' en la perfección de la estructura del material, ", Dijo Khalifah." Se sabe que muchos defectos conducirán a un rendimiento deficiente de la batería, pero lo que hemos aprendido es que una pequeña cantidad de defectos debería mejorar las propiedades clave ".

Khalifah dice que hay dos propiedades que tendrá un buen material de cátodo:conductividad iónica (los iones de litio pueden moverse bien) y conductividad electrónica (los electrones pueden moverse bien).

"La presencia de un defecto es como hacer un agujero entre las capas de iones de litio y metales de transición en el cátodo, ", dijo." En lugar de limitarse a dos dimensiones, los iones y electrones de litio pueden moverse en tres dimensiones a través de las capas ".

Para llegar a esta conclusión, los científicos necesitaban realizar experimentos de alta precisión que midieran la concentración de defectos en un material de cátodo con mucha mayor precisión que nunca antes.

"La concentración de defectos en un material de cátodo puede variar entre dos y cinco por ciento, "Khalifah dijo." Antes, los defectos solo se pueden medir con una sensibilidad de alrededor del uno por ciento. En este estudio, medimos la concentración de defectos con una precisión exquisita, una sensibilidad de una décima de porcentaje ".

Para lograr esta precisión, los científicos realizaron análisis de difracción de polvo utilizando datos de dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, la Fuente de Fotones Avanzada (APS) en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE y la Fuente de Neutrones de Espalación (SNS) en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.

La difracción de polvo es una poderosa técnica de investigación que revela la ubicación de átomos individuales dentro de un material dirigiendo haces de rayos X, neutrones o electrones en el material y estudiar cómo se difractan los rayos. En este estudio, los científicos realizaron mediciones de rayos X en APS y mediciones de neutrones en SNS.

"Este trabajo ha desarrollado una nueva forma de visualizar los defectos estructurales y su relación con la difracción y la fuerza de dispersión, "dijo Saul Lapidus, físico de la División de Ciencias de Rayos X de APS. "Espero que en el futuro esta técnica se utilice comúnmente en la comunidad de baterías para comprender los defectos y las caracterizaciones estructurales de los materiales del cátodo".

Khalifah agregado, "La capacidad de medir la concentración de elementos de dispersión débil con una sensibilidad de una décima de porcentaje también será útil para muchas otras áreas de investigación, como medir las vacantes de oxígeno en materiales superconductores o catalizadores ".

Con medidas tan precisas de concentraciones de defectos, los científicos podrían entonces estudiar la relación entre los defectos y la química del material del cátodo.

Por último, desarrollaron una "receta" para lograr cualquier concentración de defectos, cuales, en el futuro, podría guiar a los científicos a sintetizar cátodos a partir de materiales más asequibles y respetuosos con el medio ambiente y luego ajustar sus concentraciones de defectos para un rendimiento óptimo de la batería.