Imagen. / Créditos: Cortesía de los investigadores.

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 en otros tipos de baterías recargables. baterías.

La nueva técnica ha revelado varios fenómenos que antes eran imposibles de ver, 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 más significativo del artículo (que estas variaciones en la velocidad de reacción están correlacionadas 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.

“Lo que aprendimos de este estudio es que son las interfaces las que realmente controlan la dinámica de la batería, especialmente en las baterías modernas actuales hechas de nanopartículas del material activo. Eso significa que nuestro enfoque debería centrarse realmente en diseñar esa interfaz”, dice Martin Bazant, profesor de Ingeniería Química EG Roos y profesor de matemáticas en el MIT, autor principal del estudio.

Se muestran 63 pares de partículas de fosfato de hierro en forma de almendra de color rojo, verde y amarillo sobre un fondo negro.  Cada par tiene un puntero debajo con un centro verde que permanece quieto mientras el extremo rojo gira en el sentido de las agujas del reloj.

Al analizar imágenes de rayos X de partículas de fosfato de hierro y litio a medida que se cargaban y descargaban, los investigadores han demostrado que el movimiento de los iones de litio dentro del material era casi idéntico a las simulaciones por computadora que habían creado anteriormente. En cada par, las partículas reales están a la izquierda y las simulaciones a la derecha. Cortesía de los investigadores.

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 tomar imágenes de un sistema que está experimentando la formación de algún patrón y aprender los principios que lo gobiernan", dice Bazant.

Hongbo Zhao PhD ´21, un ex estudiante de posgrado del MIT que ahora es postdoctorado en la Universidad de Princeton, es el autor principal del nuevo estudio, que aparece hoy en Nature. 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 Stanford y director del SLAC-Stanford Battery Center; y Brian Storey, director senior de Energía y Materiales del Instituto de Investigación Toyota.

"Hasta ahora, podíamos hacer estas hermosas películas de rayos X de nanopartículas de baterías en funcionamiento, pero era 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 películas a nanoescala, podemos extraer conocimientos que antes no eran posibles".

Modelado de velocidades de reacción

Los electrodos de las baterías de fosfato de hierro y litio están hechos de muchas partículas diminutas de fosfato de hierro y litio, rodeadas por una solución electrolítica. Una partícula típica tiene aproximadamente 1 micrón de diámetro y unos 100 nanómetros de espesor. Cuando la batería se descarga, los iones de litio fluyen desde la solución electrolítica hacia el material mediante una reacción electroquímica conocida como intercalación de iones. Cuando la batería se carga, la reacción de intercalación se invierte y los iones fluyen en la dirección opuesta.

"El fosfato de hierro y litio (LFP) es un material importante para las baterías debido a su bajo costo, un buen historial de seguridad y el uso de abundantes elementos", dice Storey. "Estamos viendo un mayor uso de LFP en el mercado de vehículos eléctricos, por lo que el momento de realizar este estudio no podría ser mejor".

Antes del estudio actual, Bazant había realizado una gran cantidad de modelos teóricos de patrones formados por la 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 genera patrones distintivos de flujo de iones de litio impulsados ​​por reacciones de intercalación. 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 obtenidas mediante microscopía de rayos X de efecto túnel.

Utilizando este tipo de microscopía, los investigadores pueden obtener imágenes que revelan la concentración de iones de litio, píxel a píxel, en cada punto de la partícula. Pueden escanear las partículas varias veces a medida que se cargan o descargan, lo que les permite crear 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, junto con 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 anteriormente. Utilizando los 180.000 píxeles como medidas, los investigadores entrenaron el modelo computacional para producir ecuaciones que describan con precisión la termodinámica de desequilibrio y la cinética de reacción del material de la batería.

“Cada pequeño píxel salta del lleno al vacío, del lleno al vacío. Y estamos mapeando todo ese proceso, usando nuestras ecuaciones para entender 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 que pudiéramos conocer las heterogeneidades del sistema (en este caso, las variaciones en la velocidad de reacción de la superficie) simplemente mirando las imágenes", dice Bazant. "Hay regiones que parecen ir rápidas y otras que parecen lentas".

Además, los investigadores demostraron que estas diferencias en la velocidad de reacción estaban correlacionadas con el espesor de la capa de carbono en la superficie de las partículas de fosfato de hierro y litio. Esa capa de carbono se aplica al fosfato de hierro y litio para ayudarlo a conducir la electricidad; de lo contrario, el material se conduciría demasiado lentamente para ser útil como batería.

"Descubrimos a escala nanométrica que la variación del espesor del recubrimiento de carbono controla directamente la velocidad, algo que nunca podrías descubrir si no tuvieras todo este modelado y análisis de imágenes", dice Bazant.

Los hallazgos también ofrecen 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, en lugar de la Velocidad de difusión de iones de litio en el sólido.

Materiales optimizados

Los resultados de este estudio sugieren que optimizar el espesor de la capa de carbono en la superficie del electrodo podría ayudar a los investigadores a diseñar baterías que funcionen de manera más eficiente, afirman los investigadores.

"Este es el primer estudio que ha podido atribuir directamente una propiedad del material de la batería a una propiedad física del revestimiento", dice Bazant. "El enfoque a la hora de optimizar y diseñar baterías debería estar en controlar la cinética de reacción en la interfaz del electrolito y el electrodo".

"Esta publicación es la culminación de seis años de dedicación y colaboración", afirma Storey. “Esta técnica nos permite desbloquear 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 este nuevo conocimiento”.  

Además de utilizar este tipo de análisis en otros materiales de baterías, Bazant anticipa que podría ser útil para estudiar la formación de patrones en otros sistemas químicos y biológicos.

Este trabajo fue apoyado por el Instituto de Investigación Toyota a través del programa Descubrimiento y Diseño de Materiales Acelerados.

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