14.11.2022 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Procesos inéditos revelan el camino para mejorar el rendimiento de las pilas recargables

Una nueva técnica de microscopía electrónica permite recoger imágenes del funcionamiento interno de las baterías

Para diseñar mejores baterías de iones recargables, ingenieros y químicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han colaborado en la combinación de una nueva y potente técnica de microscopía electrónica y la extracción de datos para localizar visualmente las zonas de alteración química y física dentro de las baterías de iones.

Un estudio dirigido por los profesores de ciencia e ingeniería de materiales Qian Chen y Jian-Min Zuo es el primero en trazar un mapa de los dominios alterados dentro de las baterías de iones recargables a escala nanométrica, lo que supone un aumento de la resolución de 10 veces o más con respecto a los métodos ópticos y de rayos X actuales.

Los resultados se publican en la revista Nature Materials.

El equipo afirma que los esfuerzos anteriores para comprender el funcionamiento y los mecanismos de fallo de los materiales de las baterías se han centrado principalmente en el efecto químico de los ciclos de recarga, es decir, los cambios en la composición química de los electrodos de las baterías.

Una nueva técnica de microscopía electrónica, denominada microscopía electrónica de transmisión de barrido cuatridimensional, permite al equipo utilizar una sonda altamente enfocada para recoger imágenes del funcionamiento interno de las baterías.

"Durante el funcionamiento de las baterías de iones recargables, los iones entran y salen de los electrodos, lo que provoca tensiones mecánicas y, en ocasiones, fallos de fisuración", explica el investigador postdoctoral y primer autor, Wenxiang Chen. "Utilizando el nuevo método de microscopía electrónica, podemos captar por primera vez los dominios a nanoescala causados por la tensión en el interior de los materiales de las baterías".

Qian Chen dijo que este tipo de transformaciones de la heterogeneidad microestructural se han estudiado ampliamente en la cerámica y la metalurgia, pero no se han utilizado en los materiales de almacenamiento de energía hasta este estudio.

"El método 4D-STEM es fundamental para cartografiar las variaciones de cristalinidad y las orientaciones de los dominios en el interior de los materiales, que de otro modo serían inaccesibles", dijo Zuo.

El equipo comparó sus observaciones de 4D-STEM con el modelado computacional dirigido por la profesora de ciencias mecánicas e ingeniería Elif Ertekin para detectar estas variaciones.

"Los datos combinados de minería de datos y 4D-STEM muestran un patrón de nucleación, crecimiento y proceso de coalescencia en el interior de las baterías a medida que se desarrollan los dominios a nanoescala tensados", dijo Qian Chen. "Estos patrones se verificaron además con datos de difracción de rayos X recogidos por el profesor de ciencia e ingeniería de materiales y coautor del estudio Daniel Shoemaker".

Qian Chen tiene previsto profundizar en esta investigación creando películas de este proceso, algo por lo que su laboratorio es muy conocido.

"El impacto de esta investigación puede ir más allá del sistema de baterías de iones multivalentes estudiado aquí", dijo Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, director del Laboratorio de Investigación de Materiales y coautor del estudio. "El concepto, los principios y el marco de caracterización que lo hace posible se aplican a los electrodos de una variedad de baterías de iones de litio y post-litio y a otros sistemas electroquímicos, como las pilas de combustible, los transistores sinápticos y los electrocromos".

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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