Por primera vez, los investigadores han observado cómo los iones de litio fluyen a través de las interfaces de la batería, lo que podría ayudar a los ingenieros a optimizar el diseño de materiales. Investigadores del MIT, la Universidad de Stanford, el Acelerador Nacional SLAC y el Instituto de Investigación Toyota han logrado avances revolucionarios en la comprensión del fosfato de hierro y litio, un material importante para las baterías. Utilizando un análisis avanzado de imágenes de rayos X, descubrieron que los cambios en la eficiencia del material están relacionados con el espesor de la capa de carbono. El descubrimiento podría mejorar el rendimiento de la batería.
Un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Stanford, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC y el Instituto de Investigación Toyota utilizaron el aprendizaje automático para volver a analizar imágenes de rayos X de iones de litio que entran y salen de las nanopartículas de electrodos de la batería (izquierda) durante el ciclo de la batería. Los colores falsos en esta imagen muestran el estado de carga de cada partícula y revelan los procesos no homogéneos dentro de las partículas individuales. Fuente de la imagen: Cube3D
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 de automóviles eléctricos y otras baterías recargables.
La nueva tecnología reveló algunos fenómenos nunca antes vistos, incluidos cambios en la velocidad de las reacciones de intercalación de litio en diferentes regiones de nanopartículas de fosfato de hierro y litio.
El hallazgo práctico más importante del artículo es que los cambios en estas velocidades de reacción están relacionados con diferencias en el espesor de la capa de carbono en la superficie de las partículas, lo que puede mejorar la eficiencia de carga y descarga de dichas baterías.
Al extraer imágenes de rayos X, los investigadores del MIT han hecho un nuevo e importante descubrimiento sobre la reactividad del fosfato de hierro y litio, un material utilizado en baterías de automóviles eléctricos y otras baterías recargables. En cada par de partículas de la figura, la partícula real está a la izquierda y la partícula simulada por los investigadores está a la derecha. Fuente de la imagen: proporcionada por investigadores.
Ingeniería de interfaz
"Lo que aprendimos de este estudio es que es la interfaz la que realmente controla la dinámica de la batería, especialmente en las baterías modernas de hoy en día hechas de nanopartículas de materiales activos". Martin Bazant, autor principal del estudio y E.G. Profesor Roos de Ingeniería Química y Profesor de Matemáticas en el MIT.
Este método de descubrir la física detrás de patrones complejos en imágenes también podría usarse para profundizar en muchos otros materiales, incluidos no sólo otros tipos de baterías sino también sistemas biológicos como las células en división de un embrión en desarrollo.
"Creo que lo más interesante de este trabajo es que podemos tomar imágenes de un sistema que está formando un patrón y aprender los principios que gobiernan ese patrón", dijo Bazant.
investigación colaborativa
El Dr. Hongbo Zhao, primer autor del nuevo estudio, era un estudiante de posgrado en el MIT y ahora es un postdoctorado en la Universidad de Princeton. Otros autores incluyen a Richard Bratz, profesor Edwin R. Gilliland de Ingeniería Química en el MIT, William Chueh, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford y director del SLAC-Stanford Battery Center, y Brian Storey, director senior de energía y materiales en el Toyota Research Institute.
"Hasta ahora, pudimos hacer hermosas películas de rayos X de nanopartículas de baterías en funcionamiento, pero medir y comprender los detalles sutiles de cómo funcionan fue difícil porque las películas eran muy informativas", dijo Chueh. "Al aprender imágenes de estas películas a nanoescala, podemos obtener conocimientos que antes no estaban disponibles".
Modelado de velocidad de reacción
Los electrodos de las baterías de fosfato de hierro y litio están compuestos por muchas partículas diminutas de fosfato de hierro y litio rodeadas por una solución electrolítica. Las partículas típicas tienen aproximadamente 1 micrón de diámetro y unos 100 nanómetros de espesor. Cuando una 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 costo, buenas propiedades de seguridad y uso de abundantes elementos", dijo Storey. "Estamos viendo un uso cada vez mayor de fosfato de hierro y litio en el mercado de vehículos eléctricos, por lo que el momento de realizar este estudio no podría ser mejor".
Antes de este estudio, Bazant había realizado extensos modelos teóricos sobre los modos de formación de intercalación de iones de litio. El fosfato de hierro y litio prefiere existir 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 es impulsado por reacciones de intercalación que producen patrones únicos de flujo de iones de litio. En 2015, mientras se tomaba un año sabático en Stanford, comenzó a trabajar con Chueh para intentar interpretar imágenes de partículas de fosfato de hierro y litio mediante microscopía de rayos X de efecto túnel.
Con este microscopio, los investigadores pueden obtener imágenes que muestran, píxel a píxel, la concentración de iones de litio en cada punto de la partícula. Pueden escanear la partícula varias veces mientras se carga o descarga, creando una película de cómo los iones de litio entran y salen de la partícula.
En 2017, Bazant y sus colegas de SLAC recibieron financiación del Instituto de Investigación Toyota para realizar más investigaciones utilizando este enfoque, junto con otros proyectos de investigación relacionados con las baterías.
ideas y hallazgos
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 era casi idéntico a las simulaciones por computadora anteriores creadas por Bazant. Los investigadores utilizaron los 180.000 píxeles como datos de medición para entrenar modelos computacionales para generar ecuaciones que describan con precisión la termodinámica de desequilibrio y la cinética de reacción de los materiales de las baterías.
"Cada pequeño píxel del interior salta de lleno a vacío, de lleno a vacío. Estamos mapeando todo el proceso, usando nuestras ecuaciones para entender cómo sucede esto", dijo 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 se absorben los iones de litio en cada lugar de la superficie de la partícula.
"Realmente nos sorprendió que pudiéramos mirar las imágenes para comprender las heterogeneidades en el sistema, en este caso, cambios en las velocidades de reacción de la superficie. Algunas áreas parecían reaccionar muy rápidamente y otras parecían reaccionar muy lentamente", dijo Bazant.
Además, los investigadores descubrieron que estas diferencias en las velocidades de reacción estaban relacionadas con el espesor de la capa de carbono en la superficie de las partículas de fosfato de hierro y litio. La capa de carbono sobre el fosfato de hierro y litio le ayuda a conducir la electricidad; de lo contrario, el material conduciría la electricidad demasiado lentamente para ser útil como batería.
A nanoescala, los cambios en el espesor del recubrimiento de carbono controlan directamente la conductividad, algo que nunca se habría descubierto sin estos modelos y análisis de imágenes. Los hallazgos también brindan apoyo cuantitativo a una hipótesis propuesta por Bazant 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 las partículas sólidas y el recubrimiento de carbono, en lugar de la tasa de difusión de iones de litio en el sólido.
Optimizar materiales
Los resultados de este estudio muestran que optimizar el grosor de la capa de carbono en la superficie del electrodo puede ayudar a los investigadores a diseñar baterías que funcionen de manera más eficiente, dijeron los investigadores.
Este es el primer estudio que puede vincular directamente las propiedades del material de la batería con las propiedades físicas del recubrimiento. El objetivo de la optimización y el diseño de baterías debe ser controlar la cinética de reacción en la interfaz del electrolito y el electrodo.
"La publicación de este artículo es la culminación de seis años de arduo trabajo y colaboración", afirmó Storey. "Esta tecnología nos permite descubrir el funcionamiento interno de las baterías de una manera que nunca antes había sido posible. Nuestro próximo objetivo es mejorar el diseño de las baterías aplicando esta nueva comprensión".
Además de utilizar este método analítico en otros materiales de baterías, Bazant anticipa que se puede utilizar para estudiar la formación de patrones en otros sistemas químicos y biológicos.