Un nuevo método desarrollado para estudiar las fallas de la batería apunta al próximo paso potencial para extender la vida útil y la capacidad de la batería de iones de litio. abriendo un camino para un uso más amplio de estas baterías junto con fuentes de energía renovables

Las baterías de iones de litio alimentan dispositivos móviles y automóviles eléctricos y ayudan a almacenar energía de fuentes renovables, fuentes de energía intermitentes como la eólica y la solar. Pero muchos ciclos de carga y descarga provocan fallas en la batería y pérdida de capacidad, limitando su vida útil.

Una novedosa técnica de rayos X utilizada en la Fuente de Fotones Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU. Ha revelado una dinámica sorprendente en la nanomecánica de las baterías en funcionamiento y sugiere una forma de mitigar las fallas de las baterías minimizando la generación de energía elástica.

Los iones de litio tensan el material a medida que se desplazan entre los electrodos e incluso pueden alterar su estructura. que dan lugar a defectos. Los diseños de electrodos más resistentes se basarán en la comprensión fundamental de las interacciones entre los iones de litio y los electrodos dentro de la estructura de una batería. Pero hasta ahora, los científicos no han podido caracterizar suficientemente el comportamiento de una sola nanopartícula en baterías en condiciones reales de funcionamiento.

Usando imágenes de difracción de rayos X coherentes, un equipo de investigadores de la APS, la Universidad de California-San Diego, SLAC National Accelerator Laboratory y el Center for Free-Electron Laser Science mapearon la deformación tridimensional en nanopartículas individuales dentro de los electrodos de las baterías de celda de moneda en funcionamiento, como los que se encuentran en los relojes. En un artículo publicado recientemente en Nano letras , el equipo informó evidencia de que la historia de los ciclos de carga altera los patrones de tensión en partículas individuales del material del electrodo.

Este nuevo enfoque ayudará a revelar los procesos fundamentales que subyacen a la transferencia de carga eléctrica, conocimiento que podría ayudar a orientar el diseño de baterías económicas con una vida útil más larga.

Este descubrimiento solo fue posible gracias a la capacidad de ampliar el uso de CDI para estudiar el ciclo de las baterías en condiciones de funcionamiento de lectura.

El APS es uno de los pocos lugares donde se puede realizar esta investigación.

"La imagen por difracción coherente de Bragg (Bragg-CDI) es una técnica que solo utiliza la parte coherente del haz. Además, puede seleccionar nanocristales individuales en función de su estructura cristalina, y trazar un mapa de la evolución de la tensión dentro de la nanoestructura a medida que se cicla toda la batería ", dijo Ross Harder, autor de los artículos y físico de rayos X de la APS. "El alto brillo del APS a altas energías de fotones es un requisito necesario para llevar a cabo este tipo de investigación sobre nanopartículas individuales dentro de su matriz intacta. El APS Upgrade con nos permitirá ver sistemas a nanoescala de esta naturaleza compleja con órdenes de magnitud de mayor velocidad , sensibilidad y resolución, "dijo Jörg Maser, coautor de los trabajos y físico de rayos X de la APS.

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE y un Premio de Colaboradores Interdisciplinarios del Canciller de UC San Diego. El APS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Argonne.

Hyung-Man Cho y Jong Woo Kim, estudiantes graduados en ciencia e ingeniería de materiales en UC-Davis, Jörg Maser y Ross Harder del Argonne National Laboratory y Jesse Clark del SLAC National Accelerator Laboratory contribuyeron a este trabajo, que fue dirigida por UC-Davis Shirley Meng, profesor de nanoingeniería y profesor de física Oleg Shpyrko.