Construir una batería mejor es un delicado acto de equilibrio. El aumento de la cantidad de sustancias químicas cuyas reacciones alimentan la batería puede provocar inestabilidad. Similar, las partículas más pequeñas pueden mejorar la reactividad pero exponen más material a la degradación. Ahora, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y SLAC National Accelerator Laboratory dicen que han encontrado una manera de lograr un equilibrio:al hacer un cátodo de batería con una estructura jerárquica donde el material reactivo es abundante pero protegido.

Las baterías de prueba que incorporan este material de cátodo exhibieron un comportamiento cíclico de alto voltaje mejorado, del tipo que desearía para vehículos eléctricos de carga rápida y otras aplicaciones que requieren almacenamiento de alta capacidad. Los científicos describen los detalles de micro a nanoescala del material del cátodo en un artículo publicado en la revista. Energía de la naturaleza 11 de enero 2016.

"Nuestros colegas de Berkeley Lab pudieron hacer una estructura de partículas que tiene dos niveles de complejidad donde el material se ensambla de una manera que se protege a sí mismo de la degradación, ", explicó el físico de Brookhaven Lab y profesor asistente adjunto de la Universidad de Stony Brook, Huolin Xin, que ayudó a caracterizar los detalles a nanoescala del material del cátodo en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab.

Imágenes de rayos X realizadas por científicos en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en SLAC junto con microscopía electrónica de Xin en CFN revelaron partículas esféricas del material del cátodo que medían millonésimas de metro, o micras, de diámetro compuesto por lotes más pequeños, partículas a nanoescala facetadas apiladas como ladrillos en una pared. Las técnicas de caracterización revelaron importantes detalles estructurales y químicos que explican por qué estas partículas funcionan tan bien.

La lanzadera de iones de litio

La química es el núcleo de todas las baterías recargables de iones de litio, que alimentan la electrónica portátil y los coches eléctricos mediante el transporte de iones de litio entre electrodos positivos y negativos bañados en una solución de electrolito. A medida que el litio pasa al cátodo, Las reacciones químicas generan electrones que pueden enrutarse a un circuito externo para su uso. La recarga requiere una corriente externa para ejecutar las reacciones a la inversa, extrayendo los iones de litio del cátodo y enviándolos al ánodo.

Los metales reactivos como el níquel tienen el potencial de producir excelentes materiales para cátodos, excepto que son inestables y tienden a sufrir reacciones secundarias destructivas con el electrolito. Entonces el Brookhaven, Berkeley, y el equipo de baterías de SLAC experimentó con formas de incorporar níquel pero protegerlo de estas reacciones secundarias destructivas.

Rociaron una solución de litio, níquel, manganeso, y cobalto mezclado en una cierta proporción a través de una boquilla atomizadora para formar pequeñas gotas, que luego se descompuso para formar un polvo. Calentar y enfriar repetidamente el polvo desencadenó la formación de pequeñas partículas nanométricas y el autoensamblaje de estas partículas en la esfera más grande, a veces hueco, estructuras.

Usando rayos X en el SSRL de SLAC, los científicos tomaron "huellas dactilares" químicas de las estructuras a escala micrométrica. La técnica del sincrotrón, llamada espectroscopia de rayos X, reveló que la superficie exterior de las esferas era relativamente baja en níquel y alta en manganeso no reactivo, mientras que el interior era rico en níquel.

"La capa de manganeso forma una barrera eficaz, como pintura en una pared, proteger la estructura interna de los 'ladrillos' ricos en níquel del electrolito, ", Dijo Xin.

Pero, ¿cómo pudieron los iones de litio entrar en el material para reaccionar con el níquel? Descubrir, El grupo de Xin en el CFN tritura las partículas más grandes para formar un polvo compuesto por grupos mucho más pequeños de partículas primarias a nanoescala con algunas de las interfaces entre ellas aún intactas.

"Estas muestras muestran un pequeño subconjunto de los ladrillos que forman la pared. Queríamos ver cómo se unen los ladrillos. ¿Qué tipo de cemento o mortero los une? ¿Se colocan juntos en capas con regularidad o están orientados aleatoriamente con espacios intermedios? " Dijo Xin.

Los detalles a nanoescala explican la mejora del rendimiento

Usando un microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones, un microscopio electrónico de transmisión de barrido equipado con un par de "lentes" para mejorar su visión, los científicos vieron que las partículas tenían facetas, caras o lados planos como los bordes cortados de un cristal, lo que les permitió compactarse firmemente para formar interfaces coherentes sin mortero ni cemento entre los ladrillos. Pero hubo un ligero desajuste entre las dos superficies, con los átomos de un lado de la interfaz ligeramente desplazados con respecto a los átomos de la partícula contigua.

"El empaquetamiento de átomos en las interfaces entre las partículas diminutas es un poco menos denso que la red perfecta dentro de cada partícula individual, por lo que estas interfaces básicamente crean una autopista para que los iones de litio entren y salgan, ", Dijo Xin.

Como pequeños autos inteligentes los iones de litio pueden moverse a lo largo de estas carreteras para llegar a la estructura interior del muro y reaccionar con el níquel, pero las moléculas de electrolito mucho más grandes del tamaño de un camión no pueden entrar para degradar el material reactivo.

Usando una herramienta de espectroscopia dentro de su microscopio, los científicos de CFN produjeron huellas químicas a nanoescala que revelaron que había cierta segregación de níquel y manganeso incluso a nanoescala, tal como había en las estructuras de escala micrométrica.

"Aún no sabemos si esto es funcionalmente significativo, pero creemos que podría ser beneficioso y queremos estudiar esto más a fondo, ", Dijo Xin. Por ejemplo, él dijo, tal vez el material podría fabricarse a nanoescala para tener un esqueleto de manganeso para estabilizar el más reactivo, bolsillos ricos en níquel menos estables.

"Esa combinación podría brindarle una mayor vida útil de la batería junto con la mayor capacidad de carga del níquel, " él dijo.