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(noticias nanowerk) Al extraer datos de imágenes de rayos X, investigadores del MIT, la Universidad de Stanford, el Acelerador Nacional SLAC y el Instituto de Investigación Toyota han realizado nuevos e importantes descubrimientos sobre la reactividad del fosfato de hierro y litio, un material utilizado en baterías para coches eléctricos y otras baterías recargables. las baterías.
La nueva técnica ha revelado varios fenómenos que antes no eran visibles, incluidas variaciones en la velocidad de las reacciones de intercalación de litio en diferentes regiones de una nanopartícula de fosfato de hierro y litio.
El hallazgo práctico clave del artículo -que estas variaciones en la velocidad de reacción se correlacionan con diferencias en el espesor de la capa de carbono en la superficie de las partículas- podría conducir a mejoras en la eficiencia de la carga y descarga de dichas baterías.
“De este estudio aprendimos que son las interfaces las que realmente controlan la dinámica de la batería, especialmente en las baterías modernas actuales, que están compuestas de nanopartículas del material activo. Eso significa que nuestra atención debería centrarse realmente en el desarrollo de esta interfaz”, afirma Martin Bazant, profesor EG Roos de Ingeniería Química y profesor de matemáticas en el MIT, autor principal del estudio.
Este enfoque para descubrir la física detrás de patrones complejos en imágenes también podría usarse para obtener información sobre muchos otros materiales, no sólo otros tipos de baterías sino también sistemas biológicos, como la división de células en un embrión en desarrollo.
«Lo que encuentro más interesante de este trabajo es la capacidad de capturar imágenes de un sistema en proceso de formación de patrones y aprender los principios que lo gobiernan», dice Bazant.
Hongbo Zhao PhD ’21, un ex estudiante de posgrado del MIT que ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Princeton, es el autor principal del nuevo estudio, que aparece en Naturaleza (“Aprendizaje de la cinética de reacciones heterogéneas píxel a píxel a partir de vídeos de rayos X”).
«Hasta ahora hemos podido crear estas hermosas películas de rayos X de nanopartículas de baterías en funcionamiento, pero ha sido un desafío medir y comprender los detalles sutiles de cómo funcionan porque las películas eran muy ricas en información», dice Chueh. «Al aplicar el aprendizaje de imágenes a estas nanopelículas, podemos obtener conocimientos que antes no eran posibles».
Modelado de velocidades de reacción
Los electrodos de las baterías de fosfato de hierro y litio constan de muchas partículas diminutas de fosfato de hierro y litio rodeadas por una solución electrolítica. Una partícula típica tiene aproximadamente 1 micrómetro de diámetro y unos 100 nanómetros de espesor. A medida que la batería se descarga, los iones de litio fluyen desde la solución electrolítica hacia el material a través de una reacción electroquímica llamada intercalación de iones. Cuando la batería está cargada, la reacción de intercalación se invierte y los iones fluyen en dirección opuesta.
«El fosfato de hierro y litio (LFP) es un material importante para las baterías debido a su bajo coste, su buen historial de seguridad y el uso de numerosos elementos», afirma Storey. «Estamos viendo un uso cada vez mayor de LFP en el mercado de vehículos eléctricos, por lo que el momento de este estudio no podría ser mejor».
Antes del estudio actual, Bazant había realizado un extenso modelado teórico de patrones formados por la intercalación de iones de litio. El fosfato de hierro y litio existe preferiblemente en una de dos fases estables: lleno de iones de litio o vacío. Desde 2005, Bazant ha estado trabajando en modelos matemáticos de este fenómeno, conocido como separación de fases, que produce patrones característicos de flujo de iones de litio impulsados por reacciones de intercalación. En 2015, durante su año sabático en Stanford, comenzó a trabajar con Chueh para intentar interpretar imágenes de partículas de fosfato de hierro y litio obtenidas mediante microscopía de rayos X de efecto túnel.
Mediante este tipo de microscopía, los investigadores pueden obtener imágenes que muestran, píxel a píxel, la concentración de iones de litio en cada punto de la partícula. Pueden escanear las partículas varias veces mientras se cargan o descargan, creando películas de cómo los iones de litio entran y salen de las partículas.
En 2017, Bazant y sus colegas de SLAC recibieron financiación del Instituto de Investigación Toyota para realizar más estudios utilizando este enfoque, así como otros proyectos de investigación relacionados con las baterías.
Al analizar imágenes de rayos X de 63 partículas de fosfato de hierro y litio mientras se cargaban y descargaban, los investigadores descubrieron que el movimiento de los iones de litio dentro del material podría ser casi idéntico a las simulaciones por computadora que Bazant había creado previamente. Utilizando los 180.000 píxeles como medidas, los investigadores entrenaron el modelo computacional para crear ecuaciones que describan con precisión la termodinámica de desequilibrio y la cinética de reacción del material de la batería.
![Partículas de fosfato de hierro y litio.](https://www.nanowerk.com/news2/green/id63622_2.gif)
“Cada pequeño píxel que contiene salta del lleno al vacío, del lleno al vacío. Y mapeamos todo este proceso y utilizamos nuestras ecuaciones para comprender cómo sucede”, dice Bazant.
Los investigadores también descubrieron que los patrones de flujo de iones de litio que observaron podrían revelar variaciones espaciales en la velocidad a la que los iones de litio se absorben en cada lugar de la superficie de la partícula.
«Fue una verdadera sorpresa para nosotros poder ver las heterogeneidades en el sistema (en este caso, las variaciones en la velocidad de reacción de la superficie) simplemente mirando las imágenes», dice Bazant. «Hay regiones que parecen ser rápidas y otras que parecen lentas».
Además, los investigadores demostraron que estas diferencias en las velocidades de reacción se correlacionaban con el espesor de la capa de carbono en la superficie de las partículas de fosfato de hierro y litio. Este recubrimiento de carbono se aplica al fosfato de hierro y litio para ayudar a conducir la electricidad; de lo contrario, el material se conduciría demasiado lentamente para ser útil como batería.
«Descubrimos que a nanoescala la variación del espesor de la capa de carbono controla directamente la velocidad, algo que nunca se podría determinar sin todo este modelado y análisis de imágenes», dice Bazant.
Los resultados también brindan apoyo cuantitativo a una hipótesis que Bazant formuló hace varios años: que el rendimiento de los electrodos de fosfato de hierro y litio está limitado principalmente por la tasa de transferencia acoplada de iones y electrones en la interfaz entre la partícula sólida y el recubrimiento de carbono, y no por la velocidad de difusión de los iones de litio en el sólido.
Materiales optimizados
Los resultados de este estudio sugieren que optimizar el grosor de la capa de carbono en la superficie del electrodo podría ayudar a los investigadores a desarrollar baterías que funcionen de manera más eficiente, dicen los investigadores.
«Este es el primer estudio que pudo asociar directamente una propiedad del material de la batería con una propiedad física del recubrimiento», dice Bazant. «La optimización y el diseño de las baterías deberían centrarse en controlar la cinética de reacción en la interfaz electrolito-electrodo».
«Este lanzamiento es la culminación de seis años de compromiso y colaboración», dice Storey. “Esta tecnología nos permite descifrar el funcionamiento interno de la batería de una manera que antes no era posible. Nuestro próximo objetivo es mejorar el diseño de la batería aplicando estos nuevos hallazgos”.
Bazant cree que este tipo de análisis no sólo puede aplicarse a otros materiales de baterías, sino que también podría ser útil para estudiar la formación de patrones en otros sistemas químicos y biológicos.
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