Las tecnologías de almacenamiento de energía limpias y eficientes son esenciales para establecer una infraestructura de energía renovable. Las baterías de iones de litio ya son dominantes en los dispositivos electrónicos personales y son candidatas prometedoras para el almacenamiento confiable a nivel de red y los vehículos eléctricos. Sin embargo, se necesita más desarrollo para mejorar sus tasas de carga y su vida útil.

Para ayudar al desarrollo de baterías de carga más rápida y de mayor duración, los científicos deben poder comprender los procesos que ocurren dentro de una batería en funcionamiento, para identificar las limitaciones del rendimiento de la batería. Actualmente, visualizar los materiales activos de la batería mientras funcionan requiere técnicas sofisticadas de microscopía electrónica o rayos X de sincrotrón, que pueden ser difíciles y costosas, y a menudo no pueden generar imágenes lo suficientemente rápido como para capturar los cambios rápidos que ocurren en los materiales de los electrodos de carga rápida. Como resultado, la dinámica iónica en la escala de longitud de las partículas activas individuales y en las tasas de carga rápida comercialmente relevantes sigue sin explorarse en gran medida.

Investigadores de la Universidad de Cambridge han superado este problema mediante el desarrollo de una técnica de microscopía óptica de laboratorio de bajo costo para estudiar las baterías de iones de litio. Examinaron partículas individuales de Nb₁₄ W₃ O₄₄ , que se encuentra entre los materiales de ánodo de carga más rápida hasta la fecha. La luz visible se envía a la batería a través de una pequeña ventana de vidrio, lo que permite a los investigadores observar el proceso dinámico dentro de las partículas activas, en tiempo real, en condiciones realistas de no equilibrio. Esto reveló gradientes de concentración de litio similares a un frente que se movían a través de las partículas activas individuales, lo que resultó en una tensión interna que provocó la fractura de algunas partículas.

La fractura de partículas es un problema para las baterías, ya que puede conducir a la desconexión eléctrica de los fragmentos, reduciendo la capacidad de almacenamiento de la batería. "Estos eventos espontáneos tienen graves implicaciones para la batería, pero nunca antes se habían podido observar en tiempo real", dice el coautor, el Dr. Christoph Schnedermann, del Laboratorio Cavendish de Cambridge.

Las capacidades de alto rendimiento de la técnica de microscopía óptica permitieron a los investigadores analizar una gran población de partículas, lo que reveló que el agrietamiento de partículas es más común con tasas más altas de delitiación y en partículas más largas. "Estos hallazgos proporcionan principios de diseño directamente aplicables para reducir la fractura de partículas y el desvanecimiento de la capacidad en esta clase de materiales", dice la primera autora Alice Merryweather, Ph.D. candidato en el Departamento de Química y Laboratorio Cavendish de Cambridge.

En el futuro, las ventajas clave de la metodología, incluida la adquisición rápida de datos, la resolución de una sola partícula y las capacidades de alto rendimiento, permitirán una mayor exploración de lo que sucede cuando fallan las baterías y cómo prevenirlo. La técnica se puede aplicar para estudiar casi cualquier tipo de material de batería, lo que la convierte en una pieza importante del rompecabezas en el desarrollo de baterías de próxima generación.

La investigación fue publicada en Nature Materials . + Explora más

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