(Phys.org):ventanas inteligentes de alta tecnología, "que se oscurecen para filtrar la luz solar en respuesta a la corriente eléctrica, funcionan de forma muy parecida a las baterías. Ahora, Los estudios de rayos X en SLAC brindan una visión clara de cómo se comporta el material que cambia de color en estas ventanas en una batería en funcionamiento, información que podría beneficiar a las baterías recargables de próxima generación.

Los investigadores instalaron láminas ultradelgadas de material para ventanas inteligentes, óxido de níquel, como el ánodo en una batería de iones de litio, y usó la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC y equipos en otros laboratorios para estudiar su química cambiante y sus características tridimensionales.

"Cambiamos nuestra atención de cambiar el color de estos materiales a usarlos para almacenar iones de litio, pero el principio es el mismo, "dijo Feng Lin del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, autor principal del estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

Las ventanas inteligentes tienen múltiples capas de vidrio que intercalan películas ultrafinas o recubrimientos de nanocristales de materiales. como el óxido de níquel. Cuando se aplica un pequeño campo eléctrico, la carga se mueve a través del vidrio hasta el material ultrafino, que sirve como electrodo, y la ventana pasa de clara a oscura.

Estudios anteriores encontraron que la interacción de estos materiales delgados especializados con el vidrio circundante causa cambios estructurales que facilitan el flujo de carga eléctrica a través del vidrio, una propiedad que también es beneficiosa para las baterías.

En este estudio, que utiliza óxido de níquel como electrodo de batería, Los investigadores pudieron ver por primera vez exactamente qué sucede cuando los iones de litio de la batería entran en contacto con la capa de óxido de níquel y cómo la reacción resultante se propaga desde varios puntos diferentes.

"Empieza como una semilla, "dijo Tsu-Chien Weng, un científico del personal de SSRL que colaboró ​​en la investigación. "Luego hay varios frentes diferentes para la reacción, y finalmente se forma una estructura metálica ".

Además, Los investigadores observaron cómo la superficie del material de óxido de níquel "respira" cuando la batería se carga y descarga.

"Encontramos esta capa creciendo en la superficie, construyendo, "dijo Dennis Nordlund, un científico del personal de SSRL que participó en la investigación. "Luego, la capa desaparece. Casi desaparece por completo. Es como una capa respiratoria. No es necesariamente específica del óxido de níquel, y tiene amplias implicaciones para los materiales de la batería ".

Esta acumulación cíclica de depósitos del electrolito, generalmente conocida como la interfaz electrodo-electrolito, es una parte integral de la mayoría de los materiales de la batería, pero ha sido "un poco misterioso, "Nordlund dijo, ya que generalmente es un desafío estudiar durante el funcionamiento de una batería.

En una batería de iones de litio típica, Los iones de litio cargados migran a través de una solución química, el electrolito, al ánodo cuando la batería se está cargando y al electrodo opuesto. llamado cátodo, cuando la batería se está descargando.

Debido a que la capa respiratoria que se observa en el material de óxido de níquel se acumula pero luego desaparece, potencialmente podría limitar el crecimiento de "dendritas, "Dedos de litio en forma de árbol que se forman en otros tipos de materiales de la batería y perjudican el rendimiento de la batería.

"Si puede realizar un ciclo y deshacerse de la capa para que no se acumule con el tiempo, sería un gran paso adelante, "Dijo Nordlund.

Los investigadores utilizaron una técnica conocida como espectroscopia de absorción de rayos X en SSRL para sondear el material de óxido de níquel a profundidades de aproximadamente 5 y 50 nanómetros. o mil millonésimas de metro, durante el funcionamiento de la batería.

"Resulta que estas diferentes profundidades de sondeo son perfectamente adecuadas para estudiar la estructura electrónica en la superficie de los materiales de la batería, "Nordlund dijo, agregando que estas capacidades en SSRL abren una ventana para explorar muchos materiales en estados activos. "Realmente nos sentimos en una posición única para abordar muchos problemas diferentes en la ciencia de la energía utilizando esta misma metodología".

Las herramientas exploratorias de rayos X en SLAC y otros laboratorios colaboradores han sido clave para comprender las propiedades del material de óxido de níquel a nanoescala, dijo Ryan Richards, profesor de química de la Escuela de Minas de Colorado que participó en el estudio.

"Hemos presentado una serie de propuestas para analizar diferentes tipos de materiales:cómo se forman y qué propiedades tienen sus superficies, "Dijo Richards. Dijo que su colaboración continua con el personal de SSRL está" realmente floreciendo en una relación agradable ".

Los resultados de SSRL se combinaron con otros hallazgos de colaboradores, incluyendo imágenes y películas detalladas en 3-D producidas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Huolin Xin de Brookhaven Lab reunió al equipo de investigación, que también incluyó a científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable y la Universidad de Monash en Australia.