Las partículas que forman los electrodos de la batería de iones de litio son microscópicas pero poderosas:determinan cuánta carga puede almacenar la batería, qué tan rápido se carga y descarga y cómo se mantiene a lo largo del tiempo, todo crucial para un alto rendimiento en un vehículo eléctrico o dispositivo electrónico.

Las grietas y reacciones químicas en la superficie de una partícula pueden degradar el rendimiento, y la capacidad de toda la partícula para absorber y liberar iones de litio también cambia con el tiempo. Los científicos han estudiado ambos, pero hasta ahora nunca habían mirado tanto la superficie como el interior de una partícula individual para ver cómo lo que sucede en una afecta a la otra.

En un nuevo estudio, un equipo de investigación dirigido por Yijin Liu en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía hizo eso. Pegaron una sola partícula de cátodo de batería, aproximadamente del tamaño de un glóbulo rojo, en la punta de una aguja y sondeó su superficie e interior en 3-D con dos instrumentos de rayos X. Descubrieron que el agrietamiento y los cambios químicos en la superficie de la partícula variaban mucho de un lugar a otro y se correspondían con áreas de grietas microscópicas en el interior de la partícula que minaron su capacidad para almacenar energía.

"Nuestros resultados muestran que la superficie y el interior de una partícula se comunican entre sí, básicamente, "dijo el científico principal de SLAC, Yijin Liu, quien dirigió el estudio en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) del laboratorio. "Comprender esta conversación química nos ayudará a diseñar la partícula completa para que la batería pueda realizar un ciclo más rápido, por ejemplo."

Los científicos describen sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza hoy dia.

Daño tanto por dentro como por fuera

Una batería de iones de litio almacena y libera energía al mover iones de litio a través de un electrolito de un lado a otro entre dos electrodos. el ánodo y el cátodo. Cuando carga la batería, Los iones de litio se precipitan hacia el ánodo para su almacenamiento. Cuando usa la batería, los iones salen del ánodo y fluyen hacia el cátodo, donde generan un flujo de corriente eléctrica.

Cada electrodo consta de muchas partículas microscópicas, y cada partícula contiene granos aún más pequeños. Su estructura y química son fundamentales para el rendimiento de la batería. A medida que la batería se carga y descarga, iones de litio se filtran dentro y fuera de los espacios entre los átomos de las partículas, haciendo que se hinchen y encojan. Con el tiempo, esto puede agrietar y romper partículas, reduciendo su capacidad para absorber y liberar iones. Las partículas también reaccionan con el electrolito circundante para formar una capa superficial que se interpone en el camino de los iones que entran y salen. A medida que se desarrollan grietas, el electrolito penetra más profundamente y daña el interior.

Este estudio se centró en partículas hechas de un óxido en capas rico en níquel, que teóricamente puede almacenar más carga que los materiales de batería actuales. También contiene menos cobalto, haciéndolo más barato y menos problemático éticamente, Dado que algunas minas de cobalto implican condiciones inhumanas, Dijo Liu.

Solo hay un problema:la capacidad de las partículas para almacenar carga se desvanece rápidamente durante múltiples rondas de carga de alto voltaje, el tipo que se usa para cargar vehículos eléctricos rápidamente.

"Tienes millones de partículas en un electrodo. Cada una es como una bola de arroz con muchos granos, "Dijo Liu." Son los componentes básicos de la batería, y cada uno es único, al igual que cada persona tiene características diferentes ".

Domando un material de próxima generación

Liu dijo que los científicos han estado trabajando en dos enfoques básicos para minimizar el daño y aumentar el rendimiento de las partículas:poner una capa protectora en la superficie y empaquetar los granos juntos de diferentes maneras para cambiar la estructura interna. "Cualquiera de los dos enfoques podría ser eficaz, "Liu dijo, "pero combinarlos sería aún más eficaz, y es por eso que tenemos que abordar el panorama más amplio ".

Shaofeng Li, un estudiante graduado visitante en SSRL que se unirá a SLAC como investigador postdoctoral, experimentos de rayos X dirigidos que examinaron una sola partícula de cátodo montada en una aguja de una batería cargada con dos instrumentos:uno escaneando la superficie, el otro sondeando el interior. Según los resultados, teóricos dirigidos por Kejie Zhao, profesor asociado en la Universidad de Purdue, desarrolló un modelo de computadora que muestra cómo la carga habría dañado la partícula durante un período de 12 minutos y cómo ese patrón de daño refleja las interacciones entre la superficie y el interior.

"La imagen que obtenemos es que hay variaciones en todas partes de la partícula, "Dijo Liu." Por ejemplo, ciertas áreas de la superficie se degradan más que otras, y esto afecta cómo responde el interior, lo que a su vez hace que la superficie se degrade de manera diferente ".

Ahora, él dijo, el equipo planea aplicar esta técnica a otros materiales de electrodos que han estudiado en el pasado, con especial atención a cómo la velocidad de carga afecta los patrones de daño. "Quieres poder cargar tu coche eléctrico en 10 minutos en lugar de en varias horas, " él dijo, "por lo que esta es una dirección importante para los estudios de seguimiento".