Un important descobriment permetrà fer bateries millors

Una col·laboració liderada per científics del Laboratori Nacional de Brookhaven del Departament d'Energia (DOE) dels Estats Units ha servit per observar un fenomen inesperat en les bateries de ions de liti; el tipus de bateria més comú que s'utilitza per alimentar els telèfons mòbils i els cotxes elèctrics. Com una corrent elèctrica generada per un model de bateria elèctrica, els científics van presenciar la concentració de liti dins de les nano-partícules individuals invertides en un determinat punt, en comptes de créixer constantment. Aquest descobriment, publicat el 12 de gener a la revista Science Advancements , és un important pas cap a la millora de la durada de la bateria d'electrònica de consum.

Visualització de bateries a la nanoescala
A l'interior de cada bateria de ions de liti es troben partícules els àtoms de les quals estan disposats en una xarxa: una estructura periòdica amb espais entre els àtoms. Quan una bateria de ions de liti subministra electricitat, els ions de liti es desplacen cap a llocs buits a la xarxa atòmica.
Els elèctrodes es fan sovint a partir de nanopartícules per augmentar la densitat de potència de la bateria. Però els científics no han pogut comprendre de manera completa com funcionen aquests elèctrodes, a causa de la limitada capacitat de veure-los funcionar en acció. Ara, amb una combinació única d'eines experimentals, els científics han pogut reaccionar amb imatges dins dels elèctrodes en temps real.

De manera similar a com una esponja absorbeix l'aigua, es pot veure que el nivell general de liti s'incrementa contínuament dins de les partícules nanomètriques, però a diferència de l'aigua, el liti pot preferir sortir d'algunes àrees, creant nivells de liti incoherents a través de la xarxa.
Els científics van explicar que el moviment desigual del liti podria tenir efectes duradors i perjudicials, ja que redueix l'estructura dels materials actius a les bateries i pot provocar una falla per fatiga.

Aquesta simulació informàtica mostra la concentració de liti en una sola nanopartícula mentre funciona la bateria. El blau representa una baixa concentració de liti mentre que el vermell indica una alta concentració. Font: Laboratori Nacional de Brookhaven.

Abans de que el liti entri a la gelosia, la seva estructura és molt uniforme, però una vegada que entra el liti, s'estira la gelosia i, quan va minvant el liti, es redueix la xarxa. Així, cada vegada que es carrega i es descarrega una bateria, es destaca com el component actiu i la seva qualitat es degradarà amb el temps. Per això, és important caracteritzar i comprendre com la concentració de liti canvia tant en l'espai com en el temps.

Combinant eines
Per fer aquestes observacions, els científics van combinar experiments de transmissió de microscòpia electrònica (TEM) realitzats al Centre per a Nanomaterials Funcionals (CFN), a l'Oficina d'Ús de la Ciència DOE del Laboratori de Brookhaven i al Departament de Ciències de Materials i Matèries Condensades de Brookhaven amb les anàlisis de raigs X a la Font Nacional de Sincrotró (NSLS), una instal·lació d'usuaris de la Oficina de Ciència de DOE a Brookhaven que va tancar el 2014 quan es va obrir el seu successor, NSLS-II.
L'equip de Wang combina TEM amb tècniques de raigs X de manera que, ambdós mètodes utilitzen un enfocament similar per analitzar l'estructura dels materials, però poden proporcionar informació complementària. Els electrons són sensibles a l'estructura local, mentre que els raigs X poden sondar un volum més gran i permeten estadístiques molt millors.

L'equip de Brookhaven també va desenvolupar una bateria model a escala nanomètrica que podria imitar la funció de les bateries de ions de liti que encaixarien en un TEM. Les simulacions informàtiques realitzades a la Universitat de Michigan van confirmar les sorprenents conclusions.
Inicialment es pensava que el mecanisme de reversió era similar a aquells proposats anteriorment, derivats de les interaccions entre partícules properes, no obstant això, va resultar que una reversió de la concentració en una única partícula no podia ser explicada per les teories existents, sinó que va sorgir d'un mecanisme diferent. Les simulacions van ser crítiques en aquest treball perquè, sense elles, hauríem fet provocar conclusions incorrectes.
Mentre l'estudi es va centrar en les bateries de liti, els científics diuen que el fenomen observat també pot produir-se en altres productes químics d'alt rendiment.

Font: Laboratori Nacional de Brookhaven