Usando un nuevo método para rastrear las reacciones electroquímicas en un material de batería de vehículo eléctrico común bajo condiciones de operación, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han revelado nuevos conocimientos sobre por qué la carga rápida inhibe el rendimiento de este material. El estudio también proporciona la primera evidencia experimental directa para apoyar un modelo particular de la reacción electroquímica. Los resultados, publicado el 4 de agosto de 2014, en Comunicaciones de la naturaleza , podría proporcionar orientación para informar los esfuerzos de los fabricantes de baterías para optimizar los materiales para baterías de carga más rápida con mayor capacidad.

"Nuestro trabajo se centró en desarrollar un método para rastrear cambios estructurales y electroquímicos a nanoescala mientras se cargaba el material de la batería, "dijo el físico de Brookhaven, Jun Wang, quien dirigió la investigación. Su grupo estaba particularmente interesado en mapear químicamente lo que sucede en el fosfato de hierro y litio, un material comúnmente utilizado en el cátodo, o electrodo positivo, de baterías de vehículos eléctricos, a medida que se cargaba la batería. "Queríamos captar y monitorear la transformación de fase que tiene lugar en el cátodo a medida que los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo, " ella dijo.

Obtener tantos iones de litio como sea posible para pasar de cátodo a ánodo a través de este proceso, conocido como delitiación, es la clave para recargar la batería a su máxima capacidad para que pueda proporcionar energía durante el mayor período de tiempo posible. Comprender los detalles sutiles de por qué eso no siempre sucede podría, en última instancia, conducir a formas de mejorar el rendimiento de la batería. permitiendo que los vehículos eléctricos viajen más lejos antes de tener que recargarlos.

Imágenes de rayos X y huellas dactilares químicas

Muchos métodos anteriores utilizados para analizar dichos materiales de batería han producido datos que promedian los efectos sobre todo el electrodo. Estos métodos carecen de la resolución espacial necesaria para el mapeo químico o imágenes a nanoescala, y es probable que pasen por alto posibles efectos a pequeña escala y diferencias locales dentro de la muestra, Wang explicó.

Para mejorar esos métodos, el equipo de Brookhaven utilizó una combinación de campo completo, microscopía de rayos X de transmisión de resolución a nanoescala (TXM) y espectroscopía de borde cercano de absorción de rayos X (XANES) en la fuente de luz sincrotrón nacional (NSLS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que proporciona haces de rayos X de alta intensidad para estudios en muchas áreas de la ciencia. Estos rayos X pueden penetrar el material para producir imágenes de alta resolución y datos espectroscópicos, una especie de "huella digital" electroquímica que revela, píxel por píxel, donde los iones de litio permanecen en el material, donde se han eliminado dejando solo fosfato de hierro, y otros detalles electroquímicos potencialmente interesantes.

Los científicos utilizaron estos métodos para analizar muestras compuestas por múltiples partículas a nanoescala en un electrodo de batería real en condiciones de funcionamiento (en funcionamiento). Pero debido a que puede haber mucha superposición de partículas en estas muestras, también llevaron a cabo el mismo estudio de funcionamiento utilizando cantidades más pequeñas de material de electrodo que las que se encontrarían en una batería típica. Esto les permitió obtener más información sobre cómo se desarrolla la reacción de desleitización dentro de las partículas individuales sin superposición. Estudiaron cada sistema (partículas múltiples y partículas individuales) en dos escenarios de carga diferentes:rápido (como lo haría en una estación de recarga de vehículos eléctricos), y lento (se usa al enchufar su vehículo en casa durante la noche).

Información sobre por qué es importante la tasa de carga

Estas imágenes animadas de partículas individuales, tomado mientras el electrodo se está cargando, muestran que las fases de fosfato de hierro litiado (rojo) y delitiado (verde) coexisten dentro de las partículas individuales. Este hallazgo apoya directamente un modelo en el que la transformación de fase procede de una fase a otra sin la existencia de una fase intermedia.

Las imágenes detalladas y la información espectroscópica revelan una visión sin precedentes de por qué la carga rápida reduce la capacidad de la batería. A la velocidad de carga rápida, las imágenes píxel por píxel muestran que la transformación de fosfato de hierro litiado a delitiado se produce de forma no homogénea. Es decir, en algunas regiones del electrodo, todos los iones de litio se eliminan dejando solo fosfato de hierro, mientras que las partículas en otras áreas no muestran ningún cambio en absoluto, reteniendo sus iones de litio. Incluso en el estado "completamente cargado", algunas partículas retienen litio y la capacidad del electrodo está muy por debajo del nivel máximo.

"Esta es la primera vez que alguien ha podido ver que la delitiación ocurre de manera diferente en diferentes ubicaciones espaciales en un electrodo en condiciones de carga rápida, "Dijo Jun Wang.

Carga más lenta a diferencia de, da como resultado una delitiación homogénea, donde las partículas de fosfato de hierro y litio en todo el electrodo cambian gradualmente a fosfato de hierro puro, y el electrodo tiene una mayor capacidad.

Implicaciones para un mejor diseño de la batería

Los científicos saben desde hace un tiempo que la carga lenta es mejor para este material, "pero la gente no quiere cargar lentamente, "dijo Jiajun Wang, el autor principal del artículo. "En lugar de, queremos saber por qué la carga rápida da menor capacidad. Nuestros resultados ofrecen pistas para explicar por qué, y podría brindar orientación a la industria para ayudarlos a desarrollar una futura batería de carga rápida / alta capacidad, " él dijo.

Por ejemplo, la transformación de fase puede ocurrir de manera más eficiente en algunas partes del electrodo que en otras debido a inconsistencias en la estructura física o composición del electrodo, por ejemplo, su grosor o lo poroso que es. "Entonces, en lugar de centrarse solo en las características individuales de los materiales de la batería, Los fabricantes pueden querer buscar formas de preparar el electrodo para que todas sus partes sean iguales, por lo que todas las partículas pueden participar en la reacción en lugar de solo algunas, " él dijo.

El estudio de partículas individuales también detectó, por primera vez, la coexistencia de dos fases distintas:fosfato de hierro litiado y delitiado, o puro, fosfato de hierro dentro de partículas individuales. Este hallazgo confirma un modelo de la transformación de la fase de delitiación, a saber, que avanza de una fase a otra sin la existencia de una fase intermedia.

"Estos descubrimientos proporcionan la base fundamental para el desarrollo de materiales de batería mejorados, "dijo Jun Wang." Además, este trabajo demuestra la capacidad única de aplicar imágenes a nanoescala y técnicas espectroscópicas para comprender los materiales de la batería con un mecanismo complejo en condiciones reales de funcionamiento de la batería ".

El documento señala que este enfoque in operando podría aplicarse en otros campos, como estudios de pilas de combustible y catalizadores, y en ciencias ambientales y biológicas.

Estudios futuros que utilicen estas técnicas en NSLS-II, que producirán radiografías 10, 000 veces más brillantes que los de NSLS, tendrán una resolución aún mayor y proporcionarán una visión más profunda de las características físicas y electroquímicas de estos materiales, De este modo, los científicos pueden dilucidar aún más cómo esas propiedades afectan el rendimiento.