Desde teléfonos inteligentes de última generación hasta autos eléctricos de mayor alcance y una red eléctrica mejorada, mejores baterías están impulsando la innovación tecnológica. Y para impulsar las baterías más allá de su rendimiento actual, los investigadores quieren ver "debajo del capó" para aprender cómoLos ingredientes individuales de los materiales de la batería se comportan debajo de la superficie.
En última instancia, esto podría conducir a mejoras en la batería, como una mayor capacidad y voltaje.
Pero muchas de las técnicas que usan los científicos solo pueden arañar la superficie de lo que está funcionando dentro de las baterías, y una técnica de rayos X de alta sensibilidad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. Berkeley Lab está atrayendo a un grupo creciente decientíficos porque proporciona una inmersión más profunda y precisa en la química de la batería.
"La gente está tratando de impulsar el funcionamiento de las baterías más allá de lo que tenían antes", dijo Wanli Yang, científico del personal de Advanced Light Source ALS de Berkeley Lab que adaptó una técnica de rayos X conocida como RIXS resonancia inelástica X-dispersión de rayos, para usar en experimentos de ALS que se centran en baterías y otros materiales energéticos. El ALS produce haces de luz que van desde el infrarrojo hasta los rayos X para soportar una variedad de experimentos simultáneos llevados a cabo por investigadores de todo el mundo que usanlas instalaciones.
La técnica que Yang adaptó para la investigación de baterías, conocida como mRIXS de alta eficiencia mapeo de RIXS, ha despertado un interés particular por parte de los investigadores que estudian diseños para electrodos, que son los componentes de la batería a través de los cuales la corriente entra y sale de la batería.Anteriormente, RIXS era conocido principalmente como una herramienta para explorar la física fundamental en los materiales, y Yang, trabajando con teóricos y otros, ha ayudado a aplicar la técnica a nuevos campos de investigación.
"Los científicos estaban tratando de ver el interior de un material de batería, no solo en la superficie, sino también a granel, para aprender sobre sus átomos de oxígeno y estados metálicos", dijo Yang. "La mayoría de las técnicas convencionales carecen de la profundidad desonda o la sensibilidad química que podría ofrecer mRIXS ".
MRIXS puede usarse para escanear muestras de electrodos de batería para medir los estados químicos de diferentes elementos en un punto específico del ciclo de carga o descarga de la batería. Es eficaz para medir materiales populares de la batería, como los conocidos como "metal de transición inferioróxidos "que pueden ser más ligeros y más rentables que algunas alternativas.
Puede decir a los investigadores si los materiales de la batería están ganando y perdiendo electrones e iones, átomos cargados positiva o negativamente, y de qué manera, de manera estable, para que puedan aprender qué tan rápido y por qué una batería se degrada, por ejemplo.
Durante el funcionamiento de una batería, el átomo de oxígeno en un electrodo de batería puede reducirse ganar electrones y oxidarse perder electrones, lo que se conoce como una reacción "redox de oxígeno". Se ha encontrado que tal cambio en los estados de oxígeno obstaculizarendimiento de la batería en estudios de los denominados electrodos ricos en litio, que potencialmente ofrecen más almacenamiento de litio y, por lo tanto, mayor capacidad.
"Los cambios en los estados de oxígeno pueden hacer que la batería sea insegura y también desencadenar otras reacciones secundarias" si el proceso no es reversible, dijo Yang. "La estructura también puede colapsar".
Pero la redox de oxígeno reversible que tiene lugar dentro del electrodo es algo bueno. La técnica mRIXS puede detectar si los estados redox de oxígeno son reversibles y también puede detectar estados metálicos en el electrodo.
Esta capacidad única también hace que mRIXS sea particularmente útil para estudios de materiales de baterías de alto voltaje y alta capacidad que se han convertido en un foco creciente para la I + D de baterías.
La técnica funciona escaneando lentamente con rayos X a través de una muestra que conserva químicamente un punto en el ciclo de carga o descarga de la batería. Un escaneo de mapa ahora tarda aproximadamente tres horas en completarse por muestra; un escaneo de mapa completo tomaríadías antes de que se introdujera el sistema RIXS de alta eficiencia en el ALS.
"La singularidad del sistema aquí no solo se basa en el tiempo de recopilación de datos, sino también en su capacidad para observar estados químicos no convencionales que generalmente no son muy estables bajo los rayos X", dijo. La mejora en la eficiencia de detección es importante enpreservar la muestra antes del inicio de cualquier daño causado por los rayos X. Esto también es un desafío técnico que pueden abordar las futuras fuentes de luz con un brillo de rayos X mejorado, como el proyecto ALS Upgrade ALS-U, y los científicos de ALS ahora están trabajando para mejorar aún más la eficiencia de detección.
La técnica ha sido integral en varios estudios de baterías publicados en los últimos meses :
Los estados redox de oxígeno en los materiales de la batería también fueron el foco de otros estudios realizados en febrero, incluido uno centrado en un material de batería de sodio que contiene sodio, litio, manganeso y oxígeno.
Más estudios de electrodos de óxido ricos en litio han utilizado mRIXS para resolver su química de oxígeno: un estudio en enero se centró en reducir la caída de la batería relacionada con el voltaje; y otro estudio en marzo demostró la operación de carga y descarga rápida de un material con material reversiblequímica de oxígeno.
Un estudio en noviembre de 2019 también utilizó mRIXS para observar los estados de azufre, en lugar de oxígeno, en materiales de baterías de sulfuro ricos en litio.
Yang dijo que el uso creciente de la técnica por parte de la comunidad de investigación y desarrollo de baterías es alentador, y los investigadores del ALS están trabajando para desarrollar más capacidad para estos experimentos.
"La demanda está aumentando extremadamente rápido y el ALS está en proceso de desarrollar nuevos sistemas RIXS con un rendimiento aún mayor debido a esta capacidad demostrada y al aumento de la demanda", dijo Yang.
"Tener RIXS introducido en la investigación de materiales energéticos es algo nuevo", agregó Yang. "Si después de 10 años en el ALS somos reconocidos como las personas que impulsaron una técnica física fundamental para estudiar las baterías y otros materiales energéticos, eso es lo quedebería estar orgulloso de "Esto es como un nuevo campo, y la comunidad necesitaba urgentemente una herramienta de este tipo"
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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