Cuando los iones de litio entran y salen de un electrodo de la batería durante la carga y descarga, se filtra una pequeña cantidad de oxígeno y la batería voltaje—Una medida de la cantidad de energía que proporciona— se desvanece un poco igualmente. Las pérdidas aumentan con el tiempo y eventualmente pueden agotar la capacidad de almacenamiento de energía de la batería en un 10-15%.
Ahora, los investigadores han medido este proceso súper lento con un detalle sin precedentes, mostrando cómo los huecos o vacantes que dejan los átomos de oxígeno que escapan cambian la estructura y la química del electrodo y reducen gradualmente la cantidad de energía que puede almacenar.
Los resultados contradicen algunas de las suposiciones que los científicos habían hecho sobre este proceso y podrían sugerir nuevas formas de diseñar electrodos para prevenirlo.
Los investigadores pudieron medir un grado muy pequeño de oxígeno goteando, muy lentamente, durante cientos de ciclos. Un investigador de Stanford que trabajó en los experimentos con el equipo de investigadores. Dijo: "El hecho de que sea tan lento también es lo que dificulta su detección".
Una mecedora bidireccional
Las baterías de iones de litio funcionan como una mecedora, moviendo iones de litio de un lado a otro entre dos electrodos que almacenan carga temporalmente. Idealmente, esos iones son las únicas cosas que entran y salen de los miles de millones de nanopartículas que componen cada electrodo. Pero los investigadores saben desde hace algún tiempo que los átomos de oxígeno se escapan de las partículas a medida que el litio se mueve hacia adelante y hacia atrás. Los detalles han sido difíciles de precisar porque las señales de estas fugas son demasiado pequeñas para medirlas directamente.
"La cantidad total de fuga de oxígeno, más de 500 ciclos de carga y descarga de la batería, es del 6%", dijo el investigador. "Esa no es una cantidad tan pequeña, pero si intenta medir la cantidad de oxígeno que sale durante cada ciclo, es aproximadamente una centésima parte de un porcentaje".
En este estudio, los investigadores midieron la fuga indirectamente, al observar cómo la pérdida de oxígeno modifica la química y la estructura de las partículas. Hicieron un seguimiento del proceso en varias escalas de longitud, desde las nanopartículas más pequeñas hasta grupos de nanopartículas y el espesor total de un electrodo.
Debido a que es tan difícil para los átomos de oxígeno moverse en materiales sólidos a las temperaturas donde operan las baterías, la sabiduría convencional ha sido que las fugas de oxígeno provienen solo de las superficies de las nanopartículas, dijo el investigador, aunque esto ha sido objeto de debate.
Para ver más de cerca lo que está sucediendo, el equipo de investigación recicló las baterías durante diferentes períodos de tiempo, las desarmó y cortó las nanopartículas de los electrodos para un examen detallado en la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Allí, un microscopio de rayos X especializado escaneó las muestras, tomó imágenes de alta resolución y examinó la composición química de cada pequeño punto. Esta información se combinó con una técnica computacional llamada pticografía para revelar detalles a nanoescala, medidos en mil millonésimas de metro.
Mientras tanto, en la fuente de luz sincrotrón de Stanford de SLAC, el equipo disparó rayos X a través de electrodos completos para confirmar que lo que estaban viendo a nivel de nanoescala también era cierto a una escala mucho mayor.
Una ráfaga, luego un goteo
Al comparar los resultados experimentales con modelos informáticos de cómo podría ocurrir la pérdida de oxígeno, el equipo concluyó que un estallido inicial de oxígeno escapa de las superficies de las partículas, seguido de un goteo muy lento desde el interior. Donde las nanopartículas se unieron para formar grupos más grandes, las que estaban cerca del centro del grupo perdieron menos oxígeno que las que estaban cerca de la superficie.
Otra pregunta importante, dijo el investigador, es cómo afecta la pérdida de átomos de oxígeno al material que dejaron atrás. "Eso es en realidad un gran misterio", dijo. “Imagina que los átomos de las nanopartículas son como esferas muy compactas. Si sigues extrayendo átomos de oxígeno, todo podría colapsar y densificarse, porque a la estructura le gusta estar muy compacta ".
Dado que este aspecto de la estructura del electrodo no se pudo obtener imágenes directamente, los científicos compararon nuevamente otros tipos de observaciones experimentales con modelos informáticos de varios escenarios de pérdida de oxígeno. Los resultados indicaron que las vacantes persisten —el material no se colapsa ni se densifica— y sugieren cómo contribuyen al declive gradual de la batería.
“Cuando el oxígeno sale, los átomos de manganeso, níquel y cobalto circundantes migran. Todos los átomos están bailando fuera de sus posiciones ideales ”, dijo el Investigador. “Esta reorganización de los iones metálicos, junto con los cambios químicos causados por la falta de oxígeno, degrada el voltaje y la eficiencia de la batería con el tiempo. La gente conoce aspectos de este fenómeno desde hace mucho tiempo, pero el mecanismo no estaba claro ".
Ahora, dijo, "tenemos este conocimiento científico de abajo hacia arriba" de esta importante fuente de agresión con lesiones degradación, que podría conducir a nuevas formas de mitigar la pérdida de oxígeno y sus efectos dañinos.