A veces, comprender cómo surge un problema en primer lugar es clave para encontrar su solución. Para un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, adoptar este enfoque los llevó a la causa de un rendimiento degradado en unfuncionamiento de la batería de iones de sodio.
"Descubrimos que la pérdida en la capacidad de la batería es en gran parte el resultado de que los iones de sodio entran y salen del sulfuro de hierro, el material del electrodo de la batería que estudiamos, durante el primer ciclo de carga / descarga", explicó el físico de Brookhaven, Jun Wang, quien dirigió"Las reacciones electroquímicas involucradas causan cambios irreversibles en la microestructura y composición química del sulfuro de hierro, que tiene una alta densidad de energía teórica. Al identificar el mecanismo subyacente que limita su rendimiento, buscamos mejorar su densidad de energía real".
Los hallazgos del equipo, publicados en línea en Materiales de energía avanzada el 3 de marzo, podría informar el diseño de futuras baterías capaces de almacenar la cantidad de energía y sobrevivir a los muchos ciclos requeridos para aplicaciones de energía a gran escala, como los vehículos eléctricos.
identificación del problema
La mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles de hoy en día funcionan con baterías recargables de iones de litio. Pero el litio es costoso y tiene un suministro limitado, por lo que los científicos han estado buscando alternativas. El sodio ha emergido recientemente como un candidato principal porque es menos costoso, más abundante ytiene propiedades químicas similares.
Desafortunadamente, las baterías de iones de sodio, como sus contrapartes de litio, sufren cambios durante los ciclos de carga y descarga que degradan su rendimiento. Si bien las baterías de iones de litio se han estudiado ampliamente, se sabe poco sobre los mecanismos de degradación de las baterías de iones de sodio.
El equipo de Wang se dispuso a cambiar eso. Usando un microscopio de rayos X de transmisión de campo completo TXM en la antigua Fuente de luz sincrotrón nacional NSLS de Brookhaven y más tarde en la Fuente avanzada de fotones APS en el Laboratorio nacional Argonne del DOE el instrumentofue reubicado temporalmente allí cuando NSLS cerró en 2015 y regresará a Brookhaven cuando la nueva línea de luz TXM en la instalación de reemplazo, NSLS-II, esté lista, ambas instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, los científicos tomaron imágenes de lo que sucedió como iones de sodiose insertaron en sodiación y se extrajeron de desodiación un electrodo de sulfuro de hierro durante 10 ciclos.
Este estudio representa la primera vez que los investigadores capturan la evolución estructural y química de una batería de sulfuro de sodio y metal durante sus reacciones electroquímicas.
"Nuestro microscopio de transmisión de rayos X duro de campo completo fue crítico porque proporcionó una resolución espacial a nanoescala y un gran campo de visión. Otros microscopios suelen proporcionar uno u otro pero no ambos", dijo Wang.
Encontrar la raíz del problema
Las imágenes TXM revelan fracturas y grietas significativas en el material de la batería después del primer ciclo. Estos defectos microestructurales, que se originan en la superficie de las partículas de sulfuro de hierro y luego avanzan hacia su núcleo, son el resultado de que las partículas se expanden en volumentras la sodización inicial durante el proceso de descarga. Aunque estas partículas expandidas se encogen posteriormente durante el primer proceso de desodiación carga, no pueden volver a su estado original, un fenómeno llamado irreversibilidad.
Para respaldar aún más que esta irreversibilidad se debió principalmente a la inserción y eliminación inicial de iones de sodio, los científicos rastrearon y mapearon los cambios químicos correspondientes en tiempo real. Utilizaron TXM en combinación con una técnica de espectroscopia llamada absorción de rayos X cerca del bordeestructura, en la que los rayos X se ajustan a la energía a la que hay una fuerte disminución en la cantidad de rayos X que absorbe un elemento químico. Debido a que esta energía es única para cada elemento, se pueden utilizar los espectros de absorción resultantespara identificar la composición química
Los espectros del equipo muestran que las partículas de sulfuro de hierro experimentan una transformación química siguiendo el mismo mecanismo de superficie a núcleo que se observa con los defectos microestructurales. En la etapa inicial de la sodización, solo la superficie de las partículas reacciona con los iones de sodio yse convierte en hierro puro; a medida que se insertan más iones de sodio, esta reacción de conversión se extiende al núcleo. Al final de la primera descarga, casi todas las partículas de sulfuro de hierro se convierten en hierro. Durante la desodiación, la mayoría de las áreas de las partículas se transforman de nuevo asu fase original de sulfuro de hierro a excepción de algunas regiones en el núcleo, donde algunos iones de sodio permanecen "atrapados"
"Sabemos que el movimiento de los iones metálicos está restringido en gran medida por la interfaz entre dos fases coexistentes", dijo Wang. "Los iones de sodio tienen un radio iónico mayor en comparación con otros iones metálicos, por lo que encuentran aún más resistencia cuando intentan cruzarla interfaz entre el núcleo de sulfuro de hierro y las fases superficiales de hierro "
Para cuantificar la difusión de iones de sodio, el equipo midió los cambios en el voltaje del material de la batería durante el ciclo. A partir de estas mediciones de voltaje, pudieron calcular la velocidad a la que los iones de sodio entraban y salían del sulfuro de hierropartículas
Descubrieron que al comienzo de la primera descarga, los iones de sodio se difunden muy lentamente. Pero a cierto voltaje, la difusividad aumenta significativamente. Lo contrario ocurre durante la primera carga: los iones de sodio se difunden rápidamente al principio, y luego a cierto voltaje, la difusividad cae repentinamente. Estos resultados son consistentes con los cambios estructurales y químicos observados a través de TXM.
"Parece que, por un lado, las grietas y fracturas creadas por la expansión del volumen de las partículas de sulfuro de hierro durante la descarga destruyen la estructura de las partículas", dijo Wang. "Pero por otro lado, estos defectos proporcionan un camino para el sodioiones para llegar al núcleo de las partículas. Cuando el volumen se reduce durante la carga, algunos de estos caminos se bloquean, lo que restringe el movimiento de los iones de sodio y atrapa algunos en el núcleo ".
Después de esta expansión y contracción del volumen en el primer ciclo, el material de la batería parece lograr un "equilibrio" microestructural y químico. Utilizando las mismas técnicas TXM, el equipo descubrió que la microestructura y la composición química de las partículas muestran una reversibilidad robusta tan pronto comosegundo ciclo y continuando a través del décimo ciclo. En otras palabras, el material de la batería no sufre cambios significativos posteriores en el volumen y se convierte fácilmente a su forma química original. Confirmaron sus hallazgos al realizar nanotomografía de rayos X en tiempo real paracree imágenes en 3D del material de la batería y mida el porcentaje de cambio de volumen.
llegando a una solución
Ahora que los científicos saben por qué ocurre la irreversibilidad estructural y química, pueden comenzar a trabajar en formas de mejorar la capacidad de la batería después del primer ciclo. Por ejemplo, una posible solución al problema de la movilidad de los iones de sodio podría ser disminuir el tamaño delpartículas de sulfuro de hierro para que ocurra una reacción monofásica, lo que facilita mucho la reacción del sodio. El equipo de Wang también planea trabajar con colaboradores en modelos y simulaciones que ayudarán a informar el diseño de los materiales de la batería.
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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