Hay una nueva herramienta en el impulso para diseñar baterías recargables que duren más y se carguen más rápidamente. Una técnica de microscopía de rayos X desarrollada recientemente en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ha dado a los científicos la capacidad de obtener imágenes a nanoescalacambia dentro de las partículas de la batería de iones de litio a medida que se cargan y descargan. Las imágenes en tiempo real proporcionan una nueva forma de aprender cómo funcionan las baterías y cómo mejorarlas.
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, Berkeley Lab, la Universidad de Stanford y otras instituciones desarrolló el método en la Fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
Como se informó hoy en la revista ciencia , los científicos utilizaron el enfoque de imagen de partículas de batería de tamaño micrónico a medida que los iones de litio migran dentro y fuera de las partículas. Las imágenes narran la evolución de la composición química de las partículas y las tasas de reacción a una resolución espacial a nanoescala y un minuto por minutoresolución de tiempo minuto.
Entre los hallazgos, los científicos descubrieron que el proceso de carga no se desarrolla uniformemente en la superficie de una partícula, un fenómeno que probablemente frena el rendimiento de la batería con el tiempo. Esta y otras ideas obtenidas de la técnica de imagen podrían ayudar a los investigadores a mejorar las baterías paravehículos eléctricos, así como teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y otros dispositivos.
"La plataforma que desarrollamos nos permite obtener imágenes de la dinámica de la batería en la mesoescala, que se encuentra entre unos pocos nanómetros y unos pocos cientos de nanómetros", dice Will Chueh, científico de la facultad del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, y unprofesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, quien dirigió la investigación.
"Esta es una escala de longitud muy difícil de visualizar en una batería que funciona, pero es de vital importancia, porque esta es la escala que controla los procesos fundamentales involucrados en la degradación de la batería y el tiempo de recarga", dice Chueh.
El poder de los rayos X
Los científicos desarrollaron la plataforma en la Fuente de luz avanzada, que produce luz en la región de rayos X del espectro electromagnético. La técnica se implementó en dos líneas de haz que ofrecen microscopía de rayos X de transmisión de exploración de alto rendimiento STXM, enque un haz de rayos X extremadamente brillante se enfoca en un punto pequeño.
Su "plataforma de nanoimagen electroquímica STXM líquida especialmente diseñada" utiliza los rayos X suaves de la instalación para obtener imágenes de las partículas de fosfato de hierro y litio a medida que se cargan delimitan y descargan litian en un electrolito líquido. Su configuración experimental puede generar imágenes de unas treinta partículas enun momento.
En una batería real, miles de estas partículas forman un electrodo, y los iones de litio cargados positivamente se incrustan en el electrodo a medida que la batería se carga. Idealmente, los iones se insertan uniformemente a través de la superficie del electrodo. Pero esto rara vez ocurre, especialmente como una bateríaedades, lo que afecta negativamente el rendimiento.
"Ahora tenemos una forma de estudiar este proceso en tiempo real a la escala que está ocurriendo, lo que ayudará a los científicos a comprender mejor el proceso y posiblemente a optimizarlo", dice David Shapiro, físico de la Fuente de Luz Avanzada que ayudó a Chueh a desarrollarLa técnica en la instalación.
"Nuestra plataforma basada en STXM proporciona la capacidad de generar imágenes de estos cambios electroquímicos dentro de una sola partícula de batería", agrega Shapiro. "Y ofrece la resolución en tiempo real requerida para mapear los cambios en la composición química de las partículas y las densidades de corriente,a una escala de subpartículas, ya que las partículas se litian y delitian ".
Anteriormente, Chueh y otros científicos han utilizado la microscopía electrónica de transmisión TEM para estudiar las baterías de trabajo a nanoescala. El enfoque ofrece una resolución espacial muy buena. Pero la microscopía de rayos X puede generar imágenes de un campo de visión más amplio y materiales más gruesos que TEM,lo que significa que puede estudiar materiales que se parecen más a las baterías del mundo real. Además, la microscopía de rayos X proporciona una especificidad química muy alta.
Shapiro y sus colegas ahora están construyendo microscopios de rayos X aún más potentes en la Fuente de luz avanzada para mejorar la resolución espacial de la plataforma en un factor de diez. Esto permitirá a los investigadores estudiar partículas de batería que son mucho más pequeñas que una micra. Partículas más pequeñasse sabe que funcionan mejor que las partículas más grandes, pero los científicos no entienden completamente por qué.
"Ahora estamos trabajando para lograr una resolución espacial que se acerque a la longitud de onda de rayos X suave, entre uno y cinco nanómetros, con nuestros microscopios de rayos X", dice Shapiro. "Esto nos permitirá obtener imágenes de las fases químicas dentro de los más pequeños disponiblespartículas, a menudo de menos de 100 nanómetros de tamaño, y todavía nos dan el poder de penetración para observar grandes volúmenes de material, como miles de partículas de batería. El objetivo es obtener imágenes de baterías funcionales con resolución nanométrica mediante microscopía de rayos X ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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