Las baterías de iones de litio se usan ampliamente en la electrónica doméstica y ahora se utilizan para alimentar vehículos eléctricos y almacenar energía para la red eléctrica. Pero su número limitado de ciclos de recarga y su tendencia a degradar su capacidad durante su vida útil han estimulado muchode investigación para mejorar la tecnología.
Un equipo internacional dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Berkeley Lab utilizó técnicas avanzadas en microscopía electrónica para mostrar cómo la proporción de materiales que componen un electrodo de batería de iones de litio afecta su estructura en el sistema atómiconivel, y cómo la superficie es muy diferente del resto del material. El trabajo fue publicado en la revista Energía y ciencias ambientales .
Saber cómo cambia la estructura interna y superficial de un material de batería en una amplia gama de composiciones químicas ayudará a futuros estudios sobre transformaciones de cátodos y también podría conducir al desarrollo de nuevos materiales de batería.
"Este hallazgo podría cambiar la forma en que vemos las transformaciones de fase dentro del cátodo y la consiguiente pérdida de capacidad en esta clase de material", dijo Alpesh Khushalchand Shukla, científico de la Fundición Molecular de Berkeley Lab y autor principal del estudio."Nuestro trabajo muestra que es extremadamente importante caracterizar completamente un nuevo material en su estado original, así como también después del ciclismo, para evitar malas interpretaciones".
El trabajo previo de investigadores de la Fundición Molecular, un centro de investigación especializado en ciencias a nanoescala, reveló la estructura de los materiales del cátodo que contienen litio "en exceso", resolviendo un debate de larga data.
Utilizando un conjunto de microscopios electrónicos tanto en el Centro Nacional para Microscopía Electrónica NCEM, una instalación de Fundición Molecular, como en SuperSTEM, la Instalación Nacional de Investigación para Microscopía Electrónica Avanzada en Daresbury, Reino Unido, el equipo de investigación descubrió que mientras los átomostodo el interior del material del cátodo se mantuvo en el mismo patrón estructural en todas las composiciones, disminuyendo la cantidad de litio causó un aumento en la aleatoriedad en la posición de ciertos átomos dentro de la estructura.
Al comparar diferentes composiciones de material de cátodo con el rendimiento de la batería, los investigadores también demostraron que era posible optimizar el rendimiento de la batería en relación con la capacidad mediante el uso de una relación más baja de litio a otros metales.
El hallazgo más sorprendente fue que la estructura de la superficie de un cátodo no utilizado es muy diferente del interior del cátodo. Se encontró una capa delgada de material en la superficie que posee una estructura diferente, llamada fase "espinela", en todossus experimentos. Varios estudios previos habían pasado por alto que esta capa podría estar presente en cátodos nuevos y usados.
Al variar sistemáticamente la proporción de litio a un metal de transición, como probar diferentes cantidades de ingredientes en una nueva receta de galletas, el equipo de investigación pudo estudiar la relación entre la superficie y la estructura interior y medir el rendimiento electroquímico del materialEl equipo tomó imágenes de cada lote de materiales del cátodo desde múltiples ángulos y creó representaciones tridimensionales completas de cada estructura.
"Obtener una información tan precisa a nivel atómico sobre escalas de longitud relevantes para las tecnologías de batería fue un desafío", dijo Quentin Ramasse, Director del Laboratorio SuperSTEM. "Este es un ejemplo perfecto de por qué las múltiples técnicas de imágenes y espectroscopía disponibles en electronesla microscopía lo convierte en una herramienta tan indispensable y versátil en la investigación de energías renovables ".
Los investigadores también utilizaron una técnica recientemente desarrollada llamada microscopía electrónica de transmisión de escaneo 4-D STEM 4-D. En la microscopía electrónica de transmisión TEM, las imágenes se forman después de que los electrones pasan a través de una muestra delgada. En la microscopía de electrodos de transmisión de escaneo convencionalSTEM, el haz de electrones se enfoca hacia un punto muy pequeño tan pequeño como 0.5 nanómetros, o milmillonésimas de metro, de diámetro y luego ese punto se escanea hacia adelante y hacia atrás sobre la muestra como una cortadora de césped.
El detector en STEM convencional simplemente cuenta cuántos electrones están dispersos o no dispersos en cada píxel. Sin embargo, en 4D-STEM, los investigadores usan un detector de electrones de alta velocidad para registrar dónde se dispersa cada electrón, desde cada punto escaneadoPermite a los investigadores medir la estructura local de su muestra a alta resolución en un gran campo de visión.
"La introducción de cámaras electrónicas de alta velocidad nos permite extraer información a escala atómica de dimensiones de muestra muy grandes", dijo Colin Ophus, un investigador científico de NCEM. "Los experimentos 4D-STEM significan que ya no necesitamos hacer una compensación"entre las características más pequeñas que podemos resolver y el campo de visión que estamos observando: podemos analizar la estructura atómica de toda la partícula de una vez ".
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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