Desde teléfonos inteligentes de próxima generación hasta automóviles eléctricos de mayor alcance y una red eléctrica mejorada, mejores baterías están impulsando la innovación tecnológica. Y para llevar las baterías más allá de su rendimiento actual, los investigadores quieren ver "debajo del capó" para aprender cómo se comportan los ingredientes individuales de los materiales de la batería debajo de la superficie.

En última instancia, esto podría conducir a mejoras de la batería, como una mayor capacidad y voltaje.

Pero muchas de las técnicas que utilizan los científicos solo pueden arañar la superficie de lo que funciona dentro de las baterías, y una técnica de rayos X de alta sensibilidad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. inmersión más precisa en la química de la batería.

"La gente está tratando de impulsar el funcionamiento de las baterías más allá de lo que tenían antes, "dijo Wanli Yang, un científico del personal de la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab que adaptó una técnica de rayos X conocida como RIXS (dispersión de rayos X inelástica resonante), para su uso en experimentos de ALS centrados en baterías y otros materiales energéticos. El ALS produce haces de luz que van desde infrarrojos hasta rayos X para respaldar una variedad de experimentos simultáneos que llevan a cabo investigadores de todo el mundo que utilizan la instalación.

La técnica que Yang adaptó para la investigación de baterías, conocido como mRIXS de alta eficiencia (mapeo de RIXS), ha atraído un interés particular por parte de los investigadores que estudian diseños para electrodos, que son los componentes de la batería a través de los cuales la corriente entra y sale de la batería. Previamente, RIXS se conocía principalmente como una herramienta para explorar la física fundamental en materiales, y Yang, trabajar con teóricos y otros, ha ayudado a aplicar la técnica a nuevos campos de investigación.

"Los científicos intentaban ver el interior del material de una batería, no solo en la superficie, sino también en general, para aprender acerca de sus átomos de oxígeno y estados metálicos, "Dijo Yang." La mayoría de las técnicas convencionales carecen de la profundidad de la sonda o de la sensibilidad química que podría ofrecer mRIXS ".

MRIXS se puede utilizar para escanear muestras de electrodos de batería para medir los estados químicos de diferentes elementos en un punto específico del ciclo de carga o descarga de la batería. Es eficaz para medir materiales de batería populares, como los conocidos como "óxidos de metales de transición inferiores" que pueden ser más ligeros y más rentables que algunas alternativas.

Puede decirles a los investigadores si, y cuán completamente, los materiales de la batería están ganando y perdiendo electrones e iones (átomos cargados positiva o negativamente) de manera estable, para que puedan saber qué tan rápido y por qué se degrada una batería, por ejemplo.

Durante el funcionamiento de una batería, el átomo de oxígeno en un electrodo de batería puede reducirse (ganando electrones) y oxidarse (perdiendo electrones), que se conoce como reacción de "oxígeno redox". Se ha descubierto que tal cambio en los estados de oxígeno obstaculiza el rendimiento de la batería en estudios de los llamados electrodos ricos en litio. que potencialmente ofrecen más almacenamiento de litio y, por lo tanto, una mayor capacidad.

"Los cambios en los estados del oxígeno pueden hacer que la batería sea insegura y también desencadenar otras reacciones secundarias" si el proceso no es reversible, Dijo Yang. "La estructura también puede colapsar".

Pero la redox reversible de oxígeno que tiene lugar dentro del electrodo es algo bueno. La técnica mRIXS puede detectar si los estados redox de oxígeno son reversibles, y también puede detectar estados metálicos en el electrodo.

Esta capacidad única también hace que mRIXS sea particularmente útil para estudios de alto voltaje, Materiales de batería de alta capacidad que se han convertido en un foco creciente de investigación y desarrollo de baterías.

La técnica funciona escaneando lentamente con rayos X una muestra que conserva químicamente un punto en el ciclo de carga o descarga de la batería. Un escaneo de mapa ahora toma alrededor de tres horas para completarse por muestra; tal escaneo de mapa completo tomaría días antes de que se introdujera el sistema RIXS de alta eficiencia en el ALS.

"La singularidad del sistema aquí no radica solo en el momento de la recopilación de datos, pero su capacidad para observar estados químicos no convencionales que normalmente no son muy estables bajo rayos X, ", dijo. La mejora en la eficiencia de detección es importante para preservar la muestra antes del inicio de cualquier daño causado por los rayos X. Este también es un desafío técnico que puede ser abordado por futuras fuentes de luz con un brillo de rayos X mucho mejor. , como el proyecto ALS Upgrade (ALS-U), y los científicos de ALS ahora están trabajando para mejorar aún más la eficiencia de detección.

La técnica ha sido parte integral de varios estudios de baterías publicados en los últimos meses:

• Un estudio, publicado en febrero, centrado en los estados redox de oxígeno en un material de batería de litio comercialmente viable que contiene litio, níquel, cobalto, manganeso, y oxígeno para un electrodo conocido como cátodo.
• Los estados redox de oxígeno en los materiales de la batería también fueron el foco de otros estudios realizados en febrero. incluyendo uno enfocado en un material de batería de sodio que contiene sodio, litio, manganeso, y oxigeno.
• Más estudios de electrodos de óxido rico en litio han utilizado mRIXS para resolver su química de oxígeno:un estudio en enero se centró en reducir la caída de la batería relacionada con el voltaje; y otro estudio en marzo demostró la operación de carga y descarga rápida de un material con química de oxígeno reversible.
• Un estudio en noviembre de 2019 también utilizó mRIXS para observar los estados de azufre, en lugar de oxígeno, en materiales de batería de sulfuro ricos en litio.

Yang dijo que el uso cada vez mayor de la técnica por parte de la comunidad de investigación y desarrollo de baterías es alentador. y los investigadores de la ALS están trabajando para desarrollar más capacidad para estos experimentos.

"La demanda está aumentando extremadamente rápido y ALS está en el proceso de desarrollar nuevos sistemas RIXS con un rendimiento aún mayor debido a esta capacidad demostrada y una demanda creciente, "Dijo Yang.

"La introducción de RIXS en la investigación de materiales energéticos es algo nuevo, "Yang agregó." Si después de 10 años en la ALS somos reconocidos como las personas que impulsaron una técnica de física fundamental para estudiar baterías y otros materiales energéticos, eso es de lo que deberíamos estar orgullosos. "Esto es como un campo nuevo, y la comunidad necesitaba urgentemente una herramienta de este tipo ".