Miles de millones de pequeñas partículas en los electrodos de las baterías recargables de iones de litio son responsables de almacenar carga y ponerla a funcionar cuando sea necesario. Las películas de rayos X de este proceso muestran que las partículas absorben y liberan iones de litio a medida que la batería se carga y descarga. Ahora, los investigadores han utilizado una técnica de aprendizaje automático llamada visión por computadora para profundizar y analizar cada píxel de estas películas de rayos X, descubriendo detalles físicos y químicos del ciclo de la batería nunca antes vistos, un gran paso adelante.
Investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad de Stanford, el MIT y el Instituto de Investigación Toyota informaron el 13 de septiembre en la revista Nature que el nuevo enfoque ha sugerido una manera de permitir que miles de millones de nanopartículas en un electrodo de batería de iones de litio almacenen y liberen carga de manera más eficiente.
"Ahora es posible producir hermosas películas de rayos X de nanopartículas de baterías en acción, pero estas películas requieren tanta información que comprender los detalles sutiles de cómo funcionan las partículas es un verdadero desafío", dijo William Chueh, profesor asociado de la Universidad de Stanford, científico del departamento SLAC y director del Centro de Baterías SLAC-Stanford, quien codirigió la investigación con el profesor del MIT Martin Bazant.
"Ahora podemos obtener conocimientos que antes no eran posibles", afirmó Chueh. Nuestros socios de la industria necesitan esta información esencial basada en la ciencia para desarrollar mejores baterías más rápidamente. "
En términos más generales, dicen los investigadores, este método de descubrir la física detrás de patrones complejos en imágenes podría incluso proporcionar información sin precedentes sobre otros tipos de sistemas químicos y biológicos, como la división celular en embriones en desarrollo.
La batería transparente revela secretos
Las partículas de la batería estudiadas por el equipo de investigación están hechas de fosfato de hierro y litio o LFP. Están empaquetados en los electrodos positivos de muchas baterías de iones de litio por miles de millones, cada uno recubierto con una fina capa de carbono para mejorar la conductividad del electrodo.
Para ver qué sucede dentro de la batería mientras funciona, el equipo de Chueh creó pequeñas celdas transparentes en las que dos electrodos están rodeados por una solución electrolítica llena de iones de litio que se mueven libremente.
Cuando la batería se descarga, los iones de litio fluyen hacia el electrodo positivo de la batería de iones de litio y quedan alojados en sus nanopartículas como un automóvil en un estacionamiento lleno de gente, una reacción conocida como intercalación. Cuando la batería se carga, los iones de litio vuelven a salir y llegan al electrodo negativo opuesto.
Un equipo de investigadores de SLAC, la Universidad de Stanford, el MIT y el Instituto de Investigación Toyota utilizó técnicas de aprendizaje automático para volver a analizar películas de rayos X como esta, píxel a píxel, descubriendo nuevos detalles físicos y químicos del ciclo de la batería. Esta animación se basa en imágenes de rayos X producidas por el equipo en 2016. Muestra cómo algunos de los miles de millones de nanopartículas en el electrodo de una batería de iones de litio se cargan (de rojo a verde) y se descargan (de verde a rojo) a medida que los iones de litio entran y salen, y revela cuán desigual es el proceso dentro de las partículas individuales. Fuente: Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
Brian Storey, director senior de energía y materiales del Instituto de Investigación Toyota, dijo: "El fosfato de hierro y litio es un material importante para las baterías debido a su bajo costo, buen rendimiento de seguridad y uso abundante de elementos. Estamos viendo un uso cada vez mayor de LFP en el mercado de vehículos eléctricos, por lo que el momento de esta investigación no podría ser mejor".
Historia de colaboración y trabajos anteriores.
Chueh y Bazant comenzaron a colaborar en la investigación de baterías hace ocho años. Bazant ha realizado un extenso modelado matemático de los patrones formados por los iones de litio a medida que entran y salen de las partículas de LFP. Chueh ha estado utilizando un microscopio de rayos X avanzado en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para tomar películas a nanoescala de partículas de batería en funcionamiento, con detalles tan pequeños como una milmillonésima de metro.
En 2016, su equipo de investigación publicó películas innovadoras a nanoescala que muestran cómo los iones de litio entran y salen de nanopartículas LFP individuales.
Luego, con financiación del Instituto de Investigación Toyota, el equipo comenzó a utilizar herramientas de aprendizaje automático desarrolladas en el MIT para acelerar enormemente el proceso de prueba de las baterías y examinar muchos métodos de carga posibles para encontrar el más eficiente. También combinaron el aprendizaje automático tradicional, que busca patrones en los datos, con el conocimiento adquirido a partir de experimentos y ecuaciones guiadas por la física para descubrir y explicar los procesos que acortan la vida útil de las baterías de iones de litio de carga rápida.
Análisis píxel por píxel
En este último estudio, Chueh y Bazant utilizaron la visión por computadora, un subcampo del aprendizaje automático, para extraer información más detallada de 62 películas de rayos X a nanoescala que tomaron en 2016 de partículas de baterías de iones de litio cargándose o descargándose. Cada imagen fija de estas películas contiene alrededor de 490 píxeles, la unidad más pequeña de información que se puede obtener de una imagen, ya sea un detector captado con rayos X o luz visible captada por la cámara de un teléfono inteligente. Esto les proporciona aproximadamente 180.000 píxeles de información.
El equipo utilizó estos 180.000 píxeles para entrenar su modelo computacional para generar ecuaciones que describan con precisión cómo se produce la reacción de inserción del litio. Descubrieron que el movimiento de los iones dentro de las partículas de LFP coincidía muy bien con las predicciones de la simulación por computadora de Bazant.
"Cada pequeño píxel del interior salta del lleno al vacío, del lleno al vacío", dijo Bazant. "Estamos mapeando todo el proceso, usando nuestras ecuaciones para entender cómo sucede".
"La nueva tecnología reveló algunos fenómenos nunca antes vistos, incluidos cambios en la velocidad de las reacciones de inserción de litio en diferentes regiones de una sola nanopartícula de LFP", dijo Bazant. "Algunas regiones parecen reaccionar muy rápidamente y otras muy lentamente".
El hallazgo práctico más importante del artículo es que los cambios en el espesor de la capa de carbono de las partículas de LFP controlan directamente la velocidad de entrada y salida de los iones de litio, lo que puede conducir a una carga y descarga más eficiente.
Los científicos aprendieron de este estudio que lo que controla el proceso de la batería es la interfaz entre el electrolito líquido y el material sólido del electrodo, donde las reacciones de intercalación y los cambios en el espesor del recubrimiento de carbono granular interactúan de manera compleja. Esto significa que el siguiente paso debería ser diseñar la interfaz.
Storey del Toyota Research Institute agregó: "La publicación de este artículo es la culminación de seis años de arduo trabajo y colaboración. Esta tecnología nos permite descubrir el funcionamiento interno de una batería de una manera que nunca antes se había hecho. Nuestro próximo objetivo es mejorar el diseño de la batería aplicando esta nueva comprensión".