Las mejores baterías que se cargan rápidamente y duran mucho tiempo son un anillo de bronce para ingenieros. Pero a pesar de décadas de investigación e innovación, una comprensión fundamental de cómo funcionan exactamente las baterías en la escala más pequeña sigue siendo difícil de alcanzar.

En un artículo publicado esta semana en la revista Ciencias , un equipo dirigido por William Chueh, un profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y un científico de la facultad en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía, ha ideado una forma de mirar como nunca antes la reacción electroquímica que alimenta la pila recargable más común en uso en la actualidad:la batería de iones de litio.

Al visualizar los bloques de construcción fundamentales de las baterías (pequeñas partículas que suelen medir menos de una centésima parte de un cabello humano), los miembros del equipo han iluminado un proceso que es mucho más complejo de lo que se pensaba. Tanto el método que desarrollaron para observar la batería en tiempo real como su mejor comprensión de la electroquímica podrían tener implicaciones de gran alcance para el diseño de la batería. gestión y más allá.

"Nos brinda información fundamental sobre cómo funcionan las baterías, "dijo Jongwoo Lim, coautor principal del artículo e investigador postdoctoral en el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía de SLAC. "Previamente, la mayoría de los estudios investigaron el comportamiento promedio de toda la batería. Ahora, podemos ver y comprender cómo se cargan y descargan las partículas individuales de la batería ".

El corazón de una batería

En el corazón de cada batería de iones de litio hay una reacción química simple en la que los iones de litio cargados positivamente se anidan en la estructura enrejada de un electrodo de cristal mientras la batería se descarga. recibir electrones cargados negativamente en el proceso. Al invertir la reacción eliminando electrones, los iones se liberan y la batería se carga.

Estos procesos básicos, conocidos como litiación (descarga) y delitiación (carga), se ven obstaculizados por un talón de Aquiles electroquímico. Rara vez los iones se insertan uniformemente en la superficie de las partículas. En lugar de, ciertas áreas toman más iones, y otros menos. Estas inconsistencias eventualmente conducen a estrés mecánico a medida que las áreas de la red cristalina se sobrecargan con iones y desarrollan pequeñas fracturas. agotando el rendimiento de la batería y acortando la vida útil de la batería.

"La litiación y la delitiación deben ser homogéneas y uniformes, "dijo Yiyang Li, candidato a doctorado en el laboratorio de Chueh y coautor principal del artículo. "En realidad, sin embargo, son muy no uniformes. En nuestra mejor comprensión del proceso, este documento establece un camino hacia la supresión del fenómeno ".

Para los investigadores que esperan mejorar las baterías, como Chueh y su equipo, contrarrestar estas fuerzas perjudiciales podría llevar a que las baterías se carguen más rápido y más completamente, durando mucho más que los modelos actuales.

Este estudio visualiza la reacción de carga / descarga en tiempo real, algo a lo que los científicos se refieren como operando, con gran detalle y escala. El equipo utilizó rayos X brillantes y microscopios de vanguardia en la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

"El fenómeno revelado por esta técnica, Pensé que nunca sería visualizado en mi vida. Es bastante revolucionario en el campo de la batería, "dijo Martin Bazant, profesor de ingeniería química y matemáticas en el MIT que dirigió el aspecto teórico del estudio.

Chueh y su equipo crearon una batería transparente utilizando los mismos materiales activos que se encuentran en los teléfonos inteligentes y los vehículos eléctricos. Fue diseñado y fabricado en colaboración con Hummingbird Scientific. Consta de dos muy delgados, "Ventanas" transparentes de nitruro de silicio. El electrodo de la batería, hecho de una sola capa de nanopartículas de fosfato de hierro y litio, se asienta sobre la membrana dentro del espacio entre las dos ventanas. Un fluido salado conocido como electrolito, fluye en el espacio para entregar los iones de litio a las nanopartículas.

"Esto fue muy, batería muy pequeña, con diez mil millones de veces menos carga que la batería de un teléfono inteligente, ", Dijo Chueh." Pero nos permite una visión clara de lo que está sucediendo a nanoescala ".

Avances significativos

En su estudio, los investigadores descubrieron que el proceso de carga (delitiación) es significativamente menos uniforme que el de descarga (litiación). Curiosamente, los investigadores también encontraron que una carga más rápida mejora la uniformidad, lo que podría conducir a nuevos y mejores diseños de baterías y estrategias de administración de energía.

"La uniformidad mejorada reduce la tensión mecánica dañina en los electrodos y mejora la ciclabilidad de la batería, "Dijo Chueh." Más allá de las baterías, este trabajo podría tener un impacto de gran alcance en muchos otros materiales electroquímicos ". Señaló a los catalizadores, dispositivos de memoria, y el llamado vidrio inteligente, que pasa de translúcido a transparente cuando se carga eléctricamente.

Además del conocimiento científico adquirido, El otro avance significativo del estudio es la propia técnica de microscopía de rayos X, que fue desarrollado en colaboración con los científicos de Berkeley Lab Advanced Light Source, Young-sang Yu, David Shapiro, y Tolek Tyliszczak. El microscopio que se encuentra en la fuente de luz avanzada, podría afectar la investigación energética en todos los ámbitos al revelar dinámicas nunca antes vistas a nanoescala.

"Lo que hemos aprendido aquí no es solo cómo hacer una mejor batería, pero nos ofrece una nueva y profunda ventana a la ciencia de las reacciones electroquímicas a nanoescala, "Dijo Bazant.