Ingenieros y químicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign están trabajando juntos para combinar una nueva y poderosa técnica de microscopía electrónica y minería de datos para identificar visualmente áreas de alteración química y física dentro de las baterías de iones recargables.
En un papel publicado en la revista Materiales de la naturalezalos científicos explican que sus esfuerzos son los primeros en mapear dominios alterados dentro de las baterías de iones recargables a nanoescala, un aumento de 10 veces o más en la resolución con respecto a los métodos ópticos y de rayos X actuales.
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Según el grupo, los esfuerzos anteriores para comprender los mecanismos de funcionamiento y falla 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 la batería.
Pero la nueva técnica de microscopía electrónica, llamada microscopía electrónica de transmisión de barrido de cuatro dimensiones, permite al equipo usar una sonda altamente enfocada para recolectar imágenes del funcionamiento interno de las baterías.
“Durante el funcionamiento de las baterías de iones recargables, los iones se difunden dentro y fuera de los electrodos, causando tensión mecánica y, a veces, fallas por agrietamiento”, dijo Wenxiang Chen, primer autor del estudio, en un comunicado de prensa. «Usando el nuevo método de microscopía electrónica, podemos capturar los dominios a nanoescala causados por la tensión dentro de los materiales de la batería por primera vez».
Chen señaló que estos tipos de transformaciones de heterogeneidad microestructural se han estudiado ampliamente en cerámica y metalurgia, pero no se han utilizado en materiales de almacenamiento de energía hasta este estudio.
Él y sus colegas también creen que el método 4D-STEM es fundamental para mapear variaciones de cristalinidad y orientaciones de dominio que de otro modo serían inaccesibles dentro de los materiales.
«La minería de datos combinada y los datos 4D-STEM muestran un patrón de proceso de nucleación, crecimiento y coalescencia dentro de las baterías a medida que se desarrollan los dominios de nanoescala tensos», dijo el coautor Qian Chen. «Estos patrones se verificaron aún más utilizando datos de difracción de rayos X recopilados por el profesor de ciencia e ingeniería de materiales y coautor del estudio Daniel Shoemaker».
Qian Chen planea continuar con esta investigación mediante la creación de películas de este proceso, algo por lo que su laboratorio es bien conocido.
“El impacto de esta investigación puede ir más allá del sistema de batería de iones multivalentes estudiado aquí”, dijo Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, también coautor del estudio.
“El concepto, los principios y el marco de caracterización habilitador se aplican a los electrodos en una variedad de baterías de iones de litio y post-litio y otros sistemas electroquímicos que incluyen celdas de combustible, transistores sinápticos y electrocrómicos”.
