Un microscopio de rayos X único abre el camino a baterías más potentes
Nuevos conocimientos sobre los cambios morfológicos y químicos de los materiales de las pilas
Se están desarrollando nuevos materiales catódicos para aumentar aún más la capacidad de las baterías de litio. Los óxidos multicapa de metales de transición ricos en litio (LRTMO) ofrecen una densidad energética especialmente alta. Sin embargo, su capacidad disminuye con cada ciclo de carga debido a cambios estructurales y químicos. Utilizando métodos de rayos X en BESSY II, equipos de varias instituciones de investigación chinas han investigado ahora estos cambios por primera vez con la máxima precisión: en el microscopio único de rayos X, pudieron observar desarrollos morfológicos y estructurales a escala nanométrica y también aclarar cambios químicos.
Las baterías de iones de litio están llamadas a ser aún más potentes con nuevos materiales para los cátodos. Por ejemplo, los cátodos estratificados de metales de transición ricos en litio (LRTMO) podrían aumentar aún más la capacidad de carga y utilizarse en baterías de litio de alto rendimiento. Sin embargo, hasta ahora se ha observado que estos materiales de cátodo "envejecen" rápidamente: el material del cátodo se degrada como resultado de la migración de ida y vuelta de los iones de litio durante la carga y la descarga. Hasta ahora no estaba claro qué cambios concretos implicaban.
Por ello, equipos de instituciones de investigación chinas han solicitado tiempo de haz en el único microscopio de rayos X de transmisión (TXM) del mundo en una línea de haz de onduladores del anillo de almacenamiento BESSY II para investigar sus muestras mediante tomografía 3D y nanoespectroscopía. Las mediciones del HZB-TXM fueron realizadas por el Dr. Peter Guttmann, del HZB, ya en 2019, antes de la pandemia de coronavirus. El análisis microscópico de rayos X se complementó entonces con otros exámenes espectroscópicos y microscópicos. Tras una cuidadosa evaluación de los extensos datos, los resultados ya están disponibles: proporcionan información detallada sobre los cambios en la morfología y la estructura del material, pero también sobre los procesos químicos durante la descarga.
La microscopía de transmisión de rayos X blandos nos permite visualizar estados químicos en partículas de LRTMO en tres dimensiones con alta resolución espacial y obtener información sobre las reacciones químicas durante el ciclo electroquímico", explica el Dr. Stephan Werner, responsable de la supervisión científica y el desarrollo del instrumento.
Los resultados proporcionan información sobre las distorsiones locales de la red asociadas a las transiciones de fase y la formación de nanoporos. También se pudieron determinar localmente los estados de oxidación de elementos individuales. La velocidad de los procesos de carga desempeña aquí un papel importante: la carga lenta favorece las transiciones de fase y la pérdida de oxígeno, mientras que la carga rápida provoca distorsiones en la red y la difusión no homogénea del litio.
En el TXM disponemos de una capacidad única: podemos ofrecer tomografía de rayos X de transmisión con resolución de energía", afirma Werner. Esto nos proporciona una imagen tridimensional con información estructural en cada nivel de energía específico del elemento: la energía es la cuarta dimensión".
Los resultados de este estudio proporcionan información valiosa para el desarrollo de cátodos de alto rendimiento que permanezcan estables a largo plazo y sean resistentes a los ciclos. El TXM es idóneo para proporcionar en el futuro nuevos conocimientos sobre los cambios morfológicos y químicos de los materiales de las baterías mediante estudios in-operando, es decir, durante la carga y la descarga", afirma el profesor Gerd Schneider, creador del TXM.
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Publicación original
Zhimeng Liu, Yuqiang Zeng, Junyang Tan, Hailong Wang, Yudong Zhu, Xin Geng, Peter Guttmann, Xu Hou, Yang Yang, Yunkai Xu, Peter Cloetens, Dong Zhou, Yinping Wei, Jun Lu, Jie Li, Bilu Liu, Martin Winter, Robert Kostecki, Yuanjing Lin, Xin He; "Revealing the degradation pathways of layered Li-rich oxide cathodes"; Nature Nanotechnology, 2024-9-2
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