Imágenes ópticas de los cátodos no descargados. Crédito:Universidad Stony Brook / Laboratorio Nacional Brookhaven
En una prometedora batería de litio, la formación de una matriz de plata altamente conductora transforma un material que de otro modo estaría plagado de baja conductividad. Para optimizar estas baterías multimetálicas y mejorar el flujo de electricidad, los científicos necesitaban una forma de ver dónde, cuando, y como estas plata, Surgen "puentes" a nanoescala.
Ahora, Investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y de la Universidad Stony Brook han utilizado rayos X para mapear esta arquitectura atómica cambiante y revelaron su vínculo con la tasa de descarga de la batería. El estudio, publicado en línea el 8 de enero de 2015, en el diario Ciencias :Muestra que una velocidad de descarga lenta al principio de la vida útil de la batería crea una red conductora más uniforme y expansiva, sugiriendo nuevos enfoques de diseño y técnicas de optimización.
"Con esta información sobre los procesos de descarga de cátodos de la batería, podemos apuntar a nuevos materiales diseñados para abordar problemas críticos de la batería asociados con la energía y la eficiencia, "dijo la coautora del estudio, Esther Takeuchi, Profesor Distinguido de SUNY en la Universidad de Stony Brook y Científico Jefe de la Dirección de Ciencias de la Energía Básica del Laboratorio de Brookhaven.
Los científicos utilizaron haces de rayos X brillantes en la fuente de luz de sincrotrón nacional de Brookhaven Lab (NSLS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para probar baterías de litio con difosfato de plata vanadio (Ag 2 Vicepresidente 2 O 8 ) electrodos. Este prometedor material de cátodo, que puede ser útil en dispositivos médicos implantables, exhibe la alta estabilidad, Alto voltaje, y la formación espontánea de matrices fundamentales para la investigación.
"El trabajo experimental, en particular la difracción de rayos X in situ en baterías totalmente revestidas de acero inoxidable, debería resultar útil para la industria, ya que puede penetrar prototipos y baterías de nivel de producción para rastrear su evolución estructural durante el funcionamiento, "Dijo Takeuchi.
En la matriz
A medida que estas baterías de un solo uso, sintetizadas y ensambladas por el estudiante graduado de Stony Brook, David Bock, se descargan, los iones de litio almacenados en el ánodo viajan al cátodo, desplazando iones de plata en el camino. La plata desplazada luego se combina con electrones libres y material de cátodo no utilizado para formar la matriz conductora de metal plateado. actuando como un conducto para el flujo de electrones de otro modo impedido.
"Para visualizar los procesos del cátodo dentro de la batería y ver cómo toma forma la red plateada, necesitábamos un sistema muy preciso con rayos X de alta intensidad capaz de penetrar una carcasa de batería de acero, ", dijo la coautora del estudio y profesora asociada de investigación de la Universidad de Stony Brook, Amy Marschilok." Así que recurrimos a NSLS ".
Coautores de Brookhaven Lab y Stony Brook en la línea de luz XPD de National Synchrotron Light Source II, donde los experimentos futuros pueden basarse en esta investigación. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
La difracción de rayos X de dispersión de energía (EDXRD) en NSLS proporcionó estos datos de visualización en tiempo real, in situ. En EDXRD, intensos haces de rayos X que atraviesan la muestra, perdiendo energía a medida que la estructura de la batería doblaba las vigas. Cada conjunto de ángulos de haz detectados, como imágenes de lapso de tiempo, reveló la química cambiante en función de la descarga de la batería.
"La plata se forma en partículas que abarcan menos de 10 nanómetros, y los patrones de difracción pueden ser densos y tenues, "dijo el científico de Brookhaven Lab, Zhong Zhong, que realizó la alineación crítica para los experimentos de rayos X en NSLS.
Una vez que se recopilaron los datos, El investigador postdoctoral de Brookhaven Lab y coautor del estudio Kevin Kirshenbaum dirigió el esfuerzo de análisis de datos.
"Este tipo de análisis e interpretación requiere un tiempo y una experiencia considerables, pero los resultados pueden ser asombrosos, "Dijo Kirshenbaum.
Sorpresas escritas en plata
En la mayoría de las baterías, la velocidad de difusión de iones de litio determina la velocidad de descarga, un factor clave en el rendimiento y la eficiencia generales. El material más cercano al ánodo de litio normalmente se descargaría primero, ya que los iones tienen que recorrer una distancia más corta. En un descubrimiento sorprendente, Los investigadores encontraron que el material más alejado del ánodo y más cercano a la superficie de la celda de moneda se descargaba primero en la batería.
"Esto se debe a que el material del cátodo no descargado es un conductor eléctrico muy deficiente, por lo que la resistencia para la difusión de iones de litio es menor que para el flujo de electrones, ", dijo el coautor y profesor de enseñanza distinguido de SUNY, Kenneth Takeuchi." Esto destaca un aspecto excepcionalmente eficiente de la formación de la matriz de plata in situ:la matriz de plata se forma principalmente donde se necesita, que es más eficiente que usar aditivos conductores ".
Los datos de difracción in situ se combinaron con dos técnicas aplicadas después de la operación:espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) y difracción de rayos X resuelta en ángulo (XRD).
La espectroscopia puede revelar la química exacta porque cada elemento absorbe y emite luz de forma única, pero los rayos X utilizados para XAS no pueden penetrar la carcasa de la batería. Entonces, después de cada paso en la descarga, los investigadores quitaron el cátodo y lo molieron hasta convertirlo en polvo para medir la composición elemental promedio. Chia-Ying Lee de la Universidad de Buffalo preparó los materiales de cátodo reducido para las mediciones iniciales ex situ.
"Estas técnicas proporcionan datos complementarios:la difracción in situ muestra dónde se forma la plata dentro del cátodo, mientras que la espectroscopia muestra con mayor precisión cuánta plata se formó, "Dijo Esther Takeuchi.
Luces más brillantes y mejores baterías
NSLS finalizó su ejecución experimental de 32 años en septiembre de 2014, pero su poderoso sucesor ya está tomando datos en Brookhaven Lab. La fuente de luz nacional de sincrotrón II (NSLS-II) proporciona haces de 10, 000 veces más brillante que NSLS, y la investigación energética in situ es una parte importante de su misión. NSLS-II, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, pronto dará la bienvenida a usuarios de la industria, academia, y otros laboratorios nacionales.
"Actualmente estamos trabajando en otros materiales que forman redes conductoras y esperamos estudiarlos como células funcionales, "Dijo Takeuchi." Los haces más brillantes y la mayor resolución espacial de NSLS-II serán una gran herramienta para estudiar otros cátodos y hacer avanzar esta tecnología ".
