Las baterías de iones de litio liberan electricidad a medida que las reacciones electroquímicas se propagan a través de materiales activos. Manipular este complejo proceso y conducir las reacciones al corazón rico en energía de cada parte de estos materiales activos es crucial para optimizar la potencia de salida y la capacidad máxima de energía de estas baterías.

Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y los institutos colaboradores han mapeado estas vías de reacción a escala atómica y las han relacionado con la velocidad de descarga de la batería.

Contrario a las expectativas, una velocidad de descarga lenta permite que los "dedos" electroquímicos penetren en el material del electrodo y liberen su energía almacenada mediante un proceso llamado litiación. Durante descargas de alta tasa, sin embargo, estos dedos de litiación penetran lentamente capa por capa de una manera mucho más ineficaz.

"Este sistema modelo revela la interacción crucial entre la tasa de descarga y el patrón de litiación, "dijo Dong Su, quien dirigió la investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab. "Los patrones sutiles que vemos pueden ayudarnos a desarrollar arquitecturas de baterías superiores que aceleran la penetración de la litiación y mejoran el rendimiento general".

El trabajo se llevó a cabo en el CFN de Brookhaven Lab y en National Synchrotron Light Source, y la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC, todas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El estudio, publicado el 29 de enero de 2015, en el diario Nano letras , incluye colaboradores de la Universidad de Cornell, Escuela de Minas de Colorado, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Universidad de Stony Brook, y el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

"El uso inicial de estos materiales de electrodos de óxido de níquel para almacenar y descargar energía en realidad ayuda a determinar el desempeño futuro del material, "dijo Kai He, el primer autor y becario postdoctoral del CFN. "El proceso de descarga comienza cerca de la superficie, y luego se mueve hacia el interior a través de 'dedos' para desbloquear la capacidad total del material. Lo bueno es que pudimos ver esta transición sucediendo por primera vez ".

Dedos "arrastrándose"

El estudio mostró que pueden ocurrir varias vías de reacción diferentes en estos materiales. Aunque las reacciones superficiales se mueven rápidamente, no penetran profundamente en el material, por lo que esta vía de reacción puede contribuir solo una pequeña cantidad a la capacidad de energía total y la producción de la batería.

"Tiempo extraordinario, la reacción cercana a la superficie se propaga uniformemente desde la superficie exterior de cada nanopartícula hacia adentro desde todas las direcciones (esto es lo que llamamos el modo de núcleo que se contrae), pero puede ser excepcionalmente lento, "Dijo." Esa capacidad interna permanece prácticamente intacta hasta que se forman los dedos de litiación ".

Estos dedos de nucleación luego se extienden como las raíces de los árboles arrastrándose a través del suelo lleno de energía, desbloqueando la electricidad a medida que avanzan.

"Esperábamos que este proceso ocurriera mucho más rápido durante las descargas de alta tasa, pero encontramos que lo contrario es cierto, "Su dijo." Las altas tasas se esparcen por la superficie del material, pero luego se estanca abruptamente. A velocidades lentas de descarga, sin embargo, los dedos penetrantes se formaron rápidamente y abrieron el camino para la firmeza, uso de gran capacidad ".

Los dedos de litiación, la clave para desbloquear la capacidad total, requieren un tiempo de incubación fijo para formarse y crecer. que establece un límite de escala de tiempo para almacenamiento de energía de alta velocidad en baterías de iones de litio.

El coautor del estudio, Feng Lin, dijo:un científico de materiales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, "Elegimos realizar nuestro estudio utilizando materiales a nanoescala de óxido de níquel de diseño exclusivo. Estos materiales son algo bidimensionales, y proporcionar orientaciones de cristal claras para la observación experimental y el modelado teórico. Esperamos que fenómenos similares sean aplicables a otros materiales de electrodos relacionados ".

Sondas de rayos X y de electrones

La colaboración combinó datos de microscopía electrónica, espectroscopia de rayos x, y modelado computacional.

"Usamos haces de electrones enfocados a un tamaño de 1 Angstrom (10-10 metros) para mapear las rutas físicas de estas reacciones, "dijo Eric Stach, quien fue coautor de este artículo y lidera el grupo de microscopía electrónica de CFN. "Utilizando microscopía electrónica de transmisión, hicimos películas en tiempo real de los patrones de litiación. Esto nos permitió visualizar directamente cómo ocurre este proceso a nanoescala. También caracterizamos las muestras de iones de litio después de la descarga para mapear aún más los cambios estructurales y químicos con tomografía electrónica tridimensional ".

Estos datos fueron corroborados por estudios de espectroscopía de rayos X llevados a cabo en la fuente de luz de sincrotrón nacional de Brookhaven y en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford del laboratorio SLAC.

Los estudios de rayos X rastrearon cuantitativamente los cambios químicos dentro de las muestras, revelando las tasas de reacciones de litiación y la estructura química en evolución. Luego, los modelos computacionales ayudaron a interpretar estos datos y explicar el vínculo electroquímico entre la velocidad de descarga y la propagación de la reacción.

"La gama de talentos, pericia, e instrumentos de laboratorios de todo el país nos permiten obtener un retrato completo de toda la reacción en todas las escalas de longitud relevantes, vincular la electroquímica y el mecanismo de reacción con nanoestructuras, " dijó el.

Los investigadores planean aplicar esta misma metodología a más sistemas y expandir su uso como guía para nuevos, Ingeniería de baterías de alto rendimiento.