Investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han creado una nueva técnica de imagen que permite a los científicos probar la composición interna de una batería durante la carga y descarga utilizando diferentes energías de rayos X mientras giran la celda de la batería. La técnica produce trestridimensional y permite a los científicos rastrear las reacciones químicas en la batería a lo largo del tiempo en condiciones de trabajo. Su trabajo se publica en la edición del 12 de agosto de Comunicaciones de la naturaleza .
Obtener una imagen precisa de la actividad dentro de una batería mientras se carga y descarga es una tarea difícil. A menudo, incluso las imágenes de rayos X no proporcionan a los investigadores suficiente información sobre los cambios químicos internos en un material de la batería porque las imágenes bidimensionalesno se puede separar una capa de la siguiente. Imagine tomar una imagen de rayos X de un edificio de oficinas de varios pisos desde arriba. Vería escritorios y sillas uno encima del otro, varios pisos de espacios de oficinas combinados en una imagenPero sería difícil saber el diseño exacto de cualquier piso, y mucho menos rastrear dónde se movió una persona durante el día.
"Es muy difícil llevar a cabo un estudio en profundidad de los materiales de energía in situ, que requiere un seguimiento preciso de la evolución de la fase química en 3D y correlacionarlo con el rendimiento electroquímico", dijo Jun Wang, físico de la Fuente de Luz Nacional del Sincrotrón II,quien dirigió la investigación.
Usando una batería de iones de litio en funcionamiento, Wang y su equipo rastrearon la evolución de fase del fosfato de hierro y litio dentro del electrodo a medida que la batería se cargaba. Combinaron la tomografía un tipo de técnica de imágenes de rayos X que muestra la estructura 3D de unobjeto con espectroscopía de absorción de rayos X cerca del borde XANES que es sensible a los cambios químicos y electrónicos locales. El resultado fue una imagen "cinco dimensional" de la batería en funcionamiento: una imagen tridimensional completa a lo largo del tiempo y endiferentes energías de rayos X
Para hacer este mapa químico en 3D, escanearon la celda de la batería en un rango de energías que incluía el "borde de absorción de rayos X" del elemento de interés dentro del electrodo, girando la muestra 180 grados completos en cada x-energía de rayos, y repitiendo este procedimiento en diferentes etapas a medida que la batería se cargaba. Con este método, cada píxel tridimensional, llamado vóxel, produce un espectro que es como una "huella digital" específica del químico que identifica el químico y su oxidaciónestado en la posición representada por ese vóxel. Al unir las huellas digitales para todos los vóxeles se genera un mapa químico en 3D.
Los científicos descubrieron que, durante la carga, el fosfato de litio y hierro se transforma en fosfato de hierro, pero no a la misma velocidad en toda la batería. Cuando la batería está en la etapa inicial de carga, esta evolución química se produce solo en ciertas direcciones.A medida que la batería se vuelve más cargada, la evolución avanza en todas las direcciones sobre todo el material.
"Si estas imágenes se hubieran tomado con un método bidimensional estándar, no hubiéramos podido ver estos cambios", dijo Wang.
"Nuestra capacidad sin precedentes para observar directamente cómo ocurre la transformación de fase en 3D revela con precisión si hay una fase nueva o intermedia durante el proceso de transformación de fase. Este método nos da una idea precisa de lo que está sucediendo dentro del electrodo de la batería y aclara las ambigüedades anterioressobre el mecanismo de transformación de fase ", dijo Wang.
Wang dijo que el modelado ayudará al equipo a explorar la forma en que se produce la propagación del cambio de fase y cómo la tensión en los materiales afecta este proceso.
Este trabajo se completó en la ahora cerrada Fuente Nacional de Luz Sincrotrón NSLS, que albergaba un microscopio de rayos X de transmisión TXM desarrollado por Wang utilizando fondos del DOE disponibles a través de la Ley de Recuperación y Reinversión de Estados Unidos de 2009. Este instrumento TXMse trasladará a la nueva fuente de luz de Brookhaven, NSLS-II, que produce rayos X 10.000 veces más brillantes que su predecesora. Tanto NSLS como NSLS-II son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
"En NSLS-II, este trabajo se puede hacer de manera increíblemente eficiente", dijo. "La estabilidad del haz se presta a una buena tomografía, y el flujo es tan alto que podemos tomar imágenes más rápidamente y capturar reacciones aún más rápidas"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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