Las imágenes de rayos X captan defectos fugaces en las baterías de iones de sodio
Una colaboración dirigida por Cornell logra identificar un mecanismo elusivo que puede desencadenar la degradación de las baterías de iones de sodio
Las baterías de iones de sodio se han promocionado como una alternativa sostenible a las de iones de litio porque funcionan con un recurso natural más abundante. Sin embargo, las baterías de iones de sodio se han topado con un importante obstáculo: los cátodos se degradan rápidamente con la recarga.
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Una colaboración dirigida por la Universidad de Cornell ha logrado identificar un mecanismo difícil de detectar que puede desencadenar esta degradación -defectos transitorios en los cristales- utilizando una forma única de obtención de imágenes de rayos X que permitió a los investigadores captar los defectos fugaces mientras la batería estaba en funcionamiento.
El artículo del grupo, "Operando Interaction and Transformation of Metastable Defects in Layered Oxides for Na-Ion Batteries", se publicó el 14 de abril en Advanced Energy Materials. El autor principal es el becario postdoctoral Oleg Gorobstov.
Al frente del proyecto está Andrej Singer, profesor adjunto y David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de Cornell Engineering. Su grupo de investigación ha estado investigando fenómenos a nanoescala en materiales energéticos y cuánticos, a menudo utilizando herramientas avanzadas de rayos X operando. Estas técnicas son especialmente útiles para explorar el comportamiento de los defectos transitorios, que aparecen sólo brevemente durante el transporte iónico. Por ello, aún se desconoce mucho sobre su ciclo vital y su impacto.
En colaboración con investigadores de la Universidad de California en San Diego, dirigidos por la profesora Shirley Meng, y la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU., el equipo utilizó imágenes difractivas coherentes de Bragg con un haz de rayos X altamente sincronizado para enfocar las partes constituyentes de una batería de iones de sodio en carga, creando instantáneas en 3D en tiempo real que revelaron la morfología y los desplazamientos atómicos dentro de los cátodos de NaxNi1-xMnyO2.
"Las mediciones operando son indispensables en este caso", afirma Singer. "Si observáramos la batería antes y después del primer ciclo de carga y descarga, no veríamos ningún defecto. Pero durante la operación, vemos cómo los defectos se forman y autorreparan, dejando tras de sí 'cicatrices' detectables".
Para explicar lo que observaron, el equipo se inspiró en los metales, en los que defectos como las dislocaciones permiten a los materiales dúctiles deformarse sin romperse. Mediante el uso de modelos metalúrgicos, los investigadores siguieron el movimiento de los defectos transitorios -también conocidos como metaestables- e hicieron predicciones cualitativas de las tensiones que los desplazaban a medida que el material se transformaba y autocuraba.
"Las dislocaciones son defectos unidimensionales del cristal. Su presencia en los cátodos cerámicos que estudiamos es sorprendente y aún no se conocen los mecanismos de su formación. Hemos descubierto que las dislocaciones se forman en un límite de dominio antifásico de formación transitoria", explica Gorobtsov. "Esta configuración precedente es una nueva pieza del rompecabezas que esperamos nos ayude a comprender mejor la dinámica de los defectos en esta importante clase de materiales".
Los investigadores se están centrando ahora en la forma en que los defectos interactúan con los iones que entran y salen, es decir, la difusión iónica, a medida que funciona la pila, un mecanismo fundamental para el suministro de energía. Singer también señaló que la orientación de las dislocaciones sugiere que la forma de la partícula desempeña un papel importante en el proceso, por lo que su equipo y colaboradores planean investigar si esta morfología puede ajustarse para facilitar o eliminar las dislocaciones.
"Aún tenemos que comprender el papel de los defectos extendidos en los materiales de las pilas", afirma Singer. "Durante siglos, los herreros utilizaron la ingeniería de defectos en los metales para crear materiales más resistentes y duraderos sin ni siquiera darse cuenta. Aplicar un enfoque de ingeniería de defectos a la cerámica es mucho más difícil debido a la presencia de cargas electrostáticas. No obstante, con la ayuda de nuevas mediciones operando y una mejor comprensión de los mecanismos implicados, ahora podemos empezar a abordar este reto."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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