Por fin se ven las piezas invisibles de las pilas con una técnica pionera
Un nuevo método revela los puntos débiles de los electrodos de las baterías
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Investigadores de la Universidad de Oxford han desarrollado un nuevo y potente método para visualizar un componente esencial de los electrodos de las baterías de iones de litio que hasta ahora había sido extremadamente difícil de rastrear. El descubrimiento, publicado en Nature Communications, podría aumentar la eficiencia de fabricación de los electrodos de las baterías y, en última instancia, contribuir a mejorar la velocidad de carga y la vida útil de las baterías de iones de litio.
Capas nanoscópicas de carboximetilcelulosa (CMC) y aglomerados de caucho estireno-butadieno (SBR) sobre partículas de grafito detectadas con imágenes de electrones retrodispersados selectivos en energía (EsB) en un ánodo de iones de litio fabricado en laboratorio tras su bromación. La diferencia de estabilidad entre el SBR bromado y el CMC bromado durante la imagen de electrones permite distinguir ambos aglutinantes individualmente en la imagen EsB. La imagen EsB se ha coloreado para facilitar la distinción de las distintas fases del ligante.
Stanislaw Zankowski
El estudio se centró en los modernos aglutinantes poliméricos utilizados en los electrodos (ánodos) negativos de las baterías de iones de litio. Estos aglutinantes desempeñan un papel fundamental en la sujeción de los electrodos de las baterías, afectando a su estabilidad mecánica, conductividad eléctrica e iónica y vida útil. Sin embargo, como representan menos del 5% del peso del electrodo y carecen de rasgos distintivos, su distribución en los ánodos ha sido casi imposible de visualizar o controlar. Esto ha dificultado los esfuerzos por mejorar el rendimiento de las baterías, ya que la colocación de los aglutinantes influye directamente en la conductividad, estabilidad y durabilidad a largo plazo del electrodo.
Para solucionar este problema, los investigadores desarrollaron una novedosa técnica de tinción pendiente de patente que utiliza marcadores trazables de plata y bromo para etiquetar aglutinantes comerciales derivados de la celulosa y el látex en ánodos de grafito y silicio. Estos marcadores hacen visibles los aglutinantes al producir rayos X característicos (medidos con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva) o al reflejar electrones de alta energía de la superficie de la muestra (medidos con imágenes de electrones retrodispersados de energía selectiva). Cuando se detectan con un microscopio electrónico, estos métodos proporcionan información precisa sobre la distribución de los elementos y la topografía de la superficie.
En palabras del Dr. Stanislaw Zankowski, autor principal del estudio (Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford): "Esta técnica de tinción abre una caja de herramientas completamente nueva para comprender cómo se comportan los ligantes modernos durante la fabricación de electrodos. Por primera vez, podemos ver con precisión la distribución de estos aglutinantes no sólo en general (es decir, su grosor en todo el electrodo), sino también localmente, como capas y grupos de aglutinantes a nanoescala, y correlacionarlos con el rendimiento del ánodo".
Es importante destacar que el método de obtención de imágenes no sólo funciona en electrodos de grafito, sino también en materiales más avanzados como el silicio o el SiOx, por lo que es aplicable a todos los diseños de baterías de nueva generación.
Con este método, el equipo descubrió que pequeños cambios en la distribución de los aglutinantes podían afectar drásticamente a la eficacia de carga y la duración de una batería. Por ejemplo, ajustando los protocolos de mezcla y secado de los aglutinantes, los investigadores redujeron la resistencia iónica interna de los electrodos de prueba hasta en un 40%, un cuello de botella clave en la carga rápida.
El estudio también captó las escurridizas capas nanoscópicas del aglutinante carboximetilcelulosa (CMC) que recubre las superficies de las partículas de grafito. Las imágenes proporcionaron una detección sin precedentes de capas de CMC de 10 nm de grosor, con una resolución de cuatro órdenes de magnitud en una sola imagen. Esto reveló cómo las finas capas de CMC se fragmentan a partir de un recubrimiento inicialmente completo en parches rotos y no homogéneos durante el procesamiento del electrodo, lo que puede perjudicar el rendimiento y la estabilidad de la batería.
En palabras del coautor, el profesor Patrick Grant (Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford): "Este esfuerzo multidisciplinar -que abarca la química, la microscopía electrónica, los ensayos electroquímicos y la modelización- ha dado lugar a un innovador método de obtención de imágenes que nos ayudará a comprender los procesos superficiales clave que afectan a la longevidad y el rendimiento de las pilas. Esto impulsará los avances en una amplia gama de aplicaciones de baterías".
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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