Un equipo de la Universidad de Oxford ha desarrollado una técnica avanzada que permite ver claramente un elemento importante dentro de los electrodos de las baterías de iones de litio que los científicos han luchado por rastrear. Resultados, publicados el 17 de febrero. comunicación de la naturalezaPuede hacer que la fabricación de baterías sea más eficiente y ayudar a mejorar tanto la velocidad de carga como la vida útil general de las baterías de iones de litio.
La investigación se ha centrado en los aglutinantes poliméricos utilizados en el electrodo negativo (ánodo) de las baterías de iones de litio. Estos aglutinantes actúan como un pegamento que mantiene unidos los componentes del electrodo. Aunque representan menos del 5% del peso total de los electrodos, afectan fuertemente la resistencia mecánica, la conductividad eléctrica e iónica y el tiempo que una batería puede funcionar a través de ciclos de carga repetidos.
Debido a que los aglutinantes están presentes en cantidades tan pequeñas y carecen de una firma visual clara, los científicos tuvieron problemas para determinar exactamente dónde estaban ubicados dentro de los electrodos. Sus esfuerzos para mejorar el rendimiento de la batería son limitados, ya que la forma en que se distribuyen los aglutinantes afecta directamente la conductividad, la estabilidad estructural y la durabilidad a largo plazo.
La técnica de tinción pendiente de patente revela estructuras ocultas
Para superar este obstáculo, los investigadores diseñaron un método de tinción pendiente de patente que une marcadores rastreables de plata y bromo a aglutinantes a base de celulosa y látex ampliamente utilizados en ánodos a base de grafito y silicio. Una vez etiquetados, los aglutinantes se pueden detectar porque emiten rayos X característicos (medidos con espectroscopia de rayos X de dispersión de energía) o reflejan electrones de alta energía desde la superficie de la muestra (medidos con imágenes de electrones retrodispersados selectivos de energía).
Cuando se observan con un microscopio electrónico, estas señales proporcionan un mapa detallado de dónde se encuentran elementos específicos y cómo se ve la superficie del electrodo. Esto permite a los científicos analizar las distribuciones de aglutinantes con mayor precisión que nunca.
El autor principal, el Dr. Stanislaw Jankowski (Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford), dijo: “Esta técnica de tinción abre una caja de herramientas completamente nueva para comprender cómo se comportan los aglutinantes modernos durante la fabricación de electrodos. Por primera vez, podemos ver con precisión la distribución de estos aglutinantes no solo en general (es decir, como su capa de electrodo) sino también en grupos, y correlacionarlos con el rendimiento del ánodo”.
El método funciona con electrodos de grafito estándar, así como con materiales avanzados como silicio o SiOx, lo que lo hace relevante tanto para las baterías de iones de litio actuales como para los diseños de próxima generación.
Carga rápida y batería de larga duración
Al aplicar nuevas herramientas de imágenes, el equipo descubrió que incluso los cambios sutiles en la distribución del aglutinante pueden cambiar significativamente la eficiencia y la duración de la carga de una batería. En los experimentos, los ajustes en los pasos de mezcla y secado de la suspensión redujeron la resistencia iónica interna de los electrodos experimentales hasta en un 40%, una barrera importante para la carga rápida.
Los investigadores también capturaron imágenes detalladas de la capa extremadamente delgada de aglutinante de carboximetilcelulosa (CMC) que recubre las partículas de grafito. Esta técnica permitió una detección clara de capas de CMC de solo 10 nm de espesor y visualiza estructuras que abarcan cuatro órdenes de magnitud en una sola imagen. Las imágenes revelaron que lo que comienza como un recubrimiento CMC uniforme puede convertirse en piezas desiguales y parcheadas durante el procesamiento de los electrodos, lo que puede afectar el rendimiento y la estabilidad de la batería.
El coautor Profesor Patrick Grant (Departamento de Materiales, Universidad de Oxford) dijo: “Este esfuerzo multidisciplinario (química exhaustiva, microscopía electrónica, pruebas electroquímicas y modelado) dio como resultado un enfoque innovador de imágenes que ayudará a comprender los procesos superficiales clave que afectan a las baterías y que mejorarán su longevidad y rendimiento”.
El trabajo contó con el apoyo del proyecto NEXTROD de la Institución Faraday y ya ha generado un interés significativo por parte de la industria, incluidos los principales productores de baterías y fabricantes de vehículos eléctricos.
