El interior de la batería en 3D
Potentes rayos X observan cómo se cargan y descargan las baterías de estado sólido
A pesar del uso de las baterías de litio en todo el mundo, la dinámica exacta de su funcionamiento sigue siendo difícil de entender. Los rayos X han demostrado ser una poderosa herramienta para observar el interior de estas baterías y ver los cambios que se producen en tiempo real.
Las baterías de estado sólido se cargan y descargan en un hardware diseñado a medida en Georgia Tech. Se utilizó una versión más pequeña y modificada de la celda que se muestra aquí para obtener imágenes de estos materiales durante los ciclos.
Matthew McDowell, Georgia Tech
Utilizando los rayos X ultrabrillantes de la Fuente de Fotones Avanzada (APS), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Argonne del DOE, un equipo de investigación ha observado recientemente la evolución interna de los materiales dentro de las baterías de litio de estado sólido mientras se cargan y descargan. Esta información detallada en 3D puede ayudar a mejorar la fiabilidad y el rendimiento de las baterías, que utilizan materiales sólidos para sustituir los electrolitos líquidos inflamables de las actuales baterías de iones de litio.
Utilizando una pequeña batería cilíndrica (de unos dos milímetros de ancho), los investigadores de la línea de luz 2-BM de APS pudieron capturar imágenes en 3D de los cambios estructurales durante los ciclos de carga y descarga de la batería a medida que se producían.
"Las principales características de esta línea de luz que hicieron posible esta investigación son la alta sensibilidad y la gran velocidad", dijo Francesco De Carlo, jefe de grupo de la división de Ciencia de Rayos X de Argonne y coautor del artículo. "La sensibilidad ayudó al equipo a diferenciar entre fases dentro de la batería con densidades similares, y la velocidad les permitió capturar los cambios dentro de la batería mientras el proceso evolucionaba".
Estas claras imágenes revelaron cómo los cambios dinámicos de los materiales de los electrodos en las interfaces litio/sólido-electrolito determinan el comportamiento de las baterías de estado sólido. Los investigadores descubrieron que el funcionamiento de la batería provocaba la formación de pequeños vacíos -resueltos de hasta 1-2 micras de tamaño, unas 50 veces más pequeños que la anchura de un cabello humano- en la interfaz, lo que creaba una pérdida de contacto que era la principal causa de fallo en las celdas.
"Este trabajo proporciona una comprensión fundamental de lo que ocurre en el interior de la batería, y esa información debería ser importante para orientar los esfuerzos de ingeniería que acercarán estas baterías a la realidad comercial en los próximos años", dijo Matthew McDowell, autor del artículo y profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales del Instituto Tecnológico de Georgia. "Pudimos entender exactamente cómo y dónde se forman los vacíos en la interfaz, y luego relacionarlo con el rendimiento de la batería".
La investigación se publicó en Nature Materials.
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