Las tecnologías de almacenamiento de energía limpias y eficientes son esenciales para establecer una infraestructura de energía renovable.Las baterías de iones de litio ya dominan los dispositivos electrónicos personales y son candidatas prometedoras para almacenamiento confiable a nivel de red y vehículos eléctricos.Sin embargo, se necesita un mayor desarrollo para mejorar sus tasas de carga y su vida útil.
Para ayudar al desarrollo de baterías de mayor duración y carga más rápida, los científicos deben poder comprender los procesos que ocurren dentro de una batería en funcionamiento, para identificar las limitaciones del rendimiento de la batería.Actualmente, visualizar los materiales activos de la batería mientras funcionan requiere técnicas sofisticadas de microscopía electrónica o de rayos X de sincrotrón, que pueden ser difíciles y costosas, y a menudo no pueden obtener imágenes con la suficiente rapidez para capturar los rápidos cambios que ocurren en los materiales de los electrodos de carga rápida.Como resultado, la dinámica iónica en la escala de longitud de partículas activas individuales y a velocidades de carga rápida comercialmente relevantes permanece en gran medida inexplorada.
Investigadores de la Universidad de Cambridge han superado este problema desarrollando una técnica de microscopía óptica de laboratorio de bajo costo para estudiar las baterías de iones de litio.Examinaron partículas individuales de Nb14W3O44, que se encuentra entre los materiales de ánodo de carga más rápida hasta la fecha.La luz visible se envía a la batería a través de una pequeña ventana de vidrio, lo que permite a los investigadores observar el proceso dinámico dentro de las partículas activas, en tiempo real, en condiciones realistas de desequilibrio.Esto reveló gradientes de concentración de litio en forma de frente que se movían a través de las partículas activas individuales, lo que provocó una tensión interna que provocó que algunas partículas se fracturaran.La fractura de partículas es un problema para las baterías, ya que puede provocar la desconexión eléctrica de los fragmentos, reduciendo la capacidad de almacenamiento de la batería."Estos eventos espontáneos tienen graves implicaciones para la batería, pero hasta ahora nunca se habían podido observar en tiempo real", dice el coautor Dr. Christoph Schnedermann, del Laboratorio Cavendish de Cambridge.
Las capacidades de alto rendimiento de la técnica de microscopía óptica permitieron a los investigadores analizar una gran población de partículas, revelando que el agrietamiento de partículas es más común con tasas más altas de delitiación y en partículas más largas."Estos hallazgos proporcionan principios de diseño directamente aplicables para reducir la fractura de partículas y la pérdida de capacidad en esta clase de materiales", dice la primera autora Alice Merryweather, candidata a doctorado en el Laboratorio Cavendish y el Departamento de Química de Cambridge.
En el futuro, las ventajas clave de la metodología, incluida la rápida adquisición de datos, la resolución de una sola partícula y las capacidades de alto rendimiento, permitirán una mayor exploración de lo que sucede cuando las baterías fallan y cómo prevenirlo.La técnica se puede aplicar para estudiar casi cualquier tipo de material de batería, lo que la convierte en una pieza importante del rompecabezas en el desarrollo de baterías de próxima generación.
Hora de publicación: 17-sep-2022