La carga y descarga de una celda de batería transforma el material de sus electrodos en un "súper" material.

Durante la última década, los avances en investigación y desarrollo han llevado a baterías de iones de litio más eficientes. Sin embargo, persisten importantes deficiencias. Un desafío es la necesidad de una carga más rápida, que puede ayudar a acelerar la adopción de vehículos eléctricos.

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad Estatal de Boise y la Universidad de California en San Diego ha adoptado un enfoque poco convencional para este problema. Utilizando los recursos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), crearon un material de alto rendimiento para electrodos de batería. El compuesto, pentóxido de niobio, tiene una nueva estructura cristalina. Se muestra prometedor para acelerar la carga mientras proporciona una excelente capacidad de almacenamiento.

El estudio del equipo fue publicado en Nature Materials en mayo de 2022.

Durante la carga, los iones de litio se mueven desde el electrodo positivo (cátodo) al electrodo negativo (ánodo), comúnmente hecho de grafito. A velocidades de carga más altas, el litio metálico tiende a acumularse en la superficie del grafito. Este efecto, conocido como enchapado, tiende a degradar el rendimiento y puede provocar que las baterías se cortocircuiten, se sobrecalienten y se incendien.

El pentóxido de niobio es mucho menos susceptible al recubrimiento, lo que lo hace potencialmente más seguro y duradero que el grafito. Además, sus átomos pueden organizarse en muchas configuraciones estables diferentes que no requieren mucha energía para reconfigurarse. Esto presenta oportunidades para que los investigadores descubran nuevas estructuras que podrían mejorar el rendimiento de la batería.

Para este estudio, los investigadores construyeron una celda tipo moneda con pentóxido de niobio como material del electrodo. (Una celda tipo moneda, también conocida como celda de botón, es un pequeño dispositivo de batería de forma circular). El pentóxido de niobio tenía una estructura amorfa, en otras palabras, una disposición desordenada de átomos. Cuando la celda fue cargada y descargada numerosas veces, la estructura desordenada se transformó en una ordenada y cristalina. Esta estructura particular nunca había sido reportada previamente en la literatura científica.

En comparación con la disposición desordenada, la estructura cristalina permitió un transporte más fácil y rápido de iones de litio al ánodo durante la carga. Este hallazgo apunta a la promesa del material de una carga rápida y otras mediciones sugieren que puede almacenar una gran cantidad de carga.

Argonne proporciona varias herramientas complementarias

Debido a los cambios complejos durante el ciclo de carga y descarga, se necesitaron varias herramientas de diagnóstico complementarias para una comprensión integral. Ahí es donde intervino Argonne, y un par de instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el laboratorio.

Yuzi Liu, científico del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, utilizó una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión para verificar la transformación estructural de amorfo a cristalino. Esta técnica envía haces de electrones de alta energía a través de una muestra de material. Crea imágenes digitales basadas en la interacción de los electrones con la muestra. Las imágenes muestran cómo se organizan los átomos.

"Dado que el haz de electrones se enfoca en un área pequeña de la muestra, la técnica proporciona información detallada sobre esa área en particular", dijo Liu.

Hua Zhou, físico de la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne, confirmó el cambio estructural con otra técnica conocida como difracción de rayos X de sincrotrón. Esto implica golpear la muestra con haces de rayos X de alta energía, que son dispersados ​​por los electrones de los átomos en el material. Un detector mide esta dispersión para caracterizar la estructura del material.

La difracción de rayos X es eficaz para proporcionar información sobre los cambios estructurales generales en una muestra de material completa. Esto puede ser útil para estudiar los materiales de los electrodos de las baterías porque sus estructuras tienden a variar de un área a otra.

"Al golpear el material del ánodo con haces de rayos X en diferentes ángulos, confirmé que era uniformemente cristalino a lo largo de la superficie y en el interior", dijo Zhou.

La investigación también se basó en otras capacidades de Argonne para caracterizar materiales. Justin Connell, un científico de materiales en el Laboratorio de Descubrimiento Electroquímico de Argonne, usó una herramienta llamada espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para evaluar el material del ánodo. Connell disparó haces de rayos X al ánodo, expulsando electrones con cierta energía.

"La técnica reveló que los átomos de niobio ganan múltiples electrones a medida que se carga la celda", dijo Connell. "Esto sugiere que el ánodo tiene una gran capacidad de almacenamiento".

El físico de Argonne, Sungsik Lee, también evaluó la ganancia y pérdida de electrones del niobio. Usó otra técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X. Esto implicó golpear el material del ánodo con intensos haces de rayos X de sincrotrón y medir la transmisión y absorción de los rayos X en el material.

"La técnica proporcionó una imagen general del estado de los electrones en todo el ánodo", dijo Lee. "Esto confirmó que el niobio gana múltiples electrones".

Argonne es inusual porque tiene todas estas capacidades de investigación en su campus. Claire Xiong, investigadora principal del estudio, realizó su investigación postdoctoral en el CNM de Argonne antes de unirse a la facultad de Boise State como científica de materiales. Estaba bastante familiarizada con las amplias capacidades de Argonne y había colaborado previamente con los científicos de Argonne que contribuyeron al estudio.

"Las instalaciones y el personal de Argonne son de primer nivel", dijo Xiong. "Este trabajo para descubrir la transformación única en el pentóxido de niobio se benefició enormemente de la colaboración con los científicos de Argonne. También se benefició del acceso al APS, al Laboratorio de Descubrimiento Electroquímico y al CNM".

Es muy difícil fabricar pentóxido de niobio cristalino de alto rendimiento con métodos de síntesis tradicionales, como los que someten los materiales a calor y presión. El enfoque de síntesis no convencional utilizado con éxito en este estudio (cargar y descargar una celda de batería) podría aplicarse para fabricar otros materiales de batería innovadores. Potencialmente, incluso podría respaldar la fabricación de materiales novedosos en otros campos, como semiconductores y catalizadores. + Explora más

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