Investigación de baterías con el microscopio de rayos X del HZB

La imagen de la izquierda muestra las tomografías nanotomográficas de una partícula LRTMO antes del primer ciclo de carga (arriba) y después de 10 ciclos de carga (abajo). A la derecha se encuentran las simulaciones correspondientes con poros aislados (azul claro), cuya cantidad aumenta después de 10 ciclos de carga (abajo a la derecha). © HZB / La parte izquierda de la figura muestra imágenes de nanotomografía de una partícula LRTMO tomadas en el TXM de BESSY II antes del primer ciclo de carga (arriba) y después de 10 ciclos de carga (abajo). En la simulación (parte derecha), los poros aislados están resaltados en azul claro. Después de 10 ciclos de carga, el número de poros y grietas ha aumentado significativamente. © HZB

Para seguir aumentando la capacidad de las baterías de litio, se están desarrollando nuevos materiales para cátodos. Los óxidos de metales de transición ricos en litio multicapa (LRTMO) permiten una densidad de energía especialmente alta. Sin embargo, con cada ciclo de carga, su capacidad disminuye, lo cual está relacionado con cambios estructurales y químicos. Con estudios de rayos X en BESSY II, un equipo de instituciones de investigación chinas ha medido experimentalmente estos cambios por primera vez con la máxima precisión: con un microscopio de rayos X único, pudieron observar desarrollos morfológicos y estructurales a escala nanométrica y también esclarecer cambios químicos.

Las baterías de iones de litio deben ser aún más potentes mediante el uso de nuevos materiales para los cátodos. Así, los cátodos de óxidos de metales de transición ricos en litio en capas (LRTMO) podrían aumentar aún más la capacidad de carga y ser utilizados en baterías de litio de alto rendimiento. Pero hasta ahora se ha observado que estos materiales de cátodo "envejecen" rápidamente: mediante el movimiento de ida y vuelta de los iones de litio durante la carga y descarga, el material del cátodo cambia. Hasta ahora, no estaba claro cuáles eran exactamente estos cambios.

Por ello, equipos de instituciones de investigación chinas solicitaron tiempo de medición en el microscopio de rayos X de transmisión (TXM) único en el mundo, en un haz de undulador en la línea de almacenamiento BESSY II, para estudiar sus muestras de material mediante tomografía 3D y espectroscopía a nanoescala. Las mediciones en el TXM del HZB fueron realizadas en 2019, antes de la pandemia de COVID-19, por el Dr. Peter Guttmann, del HZB. Luego, el análisis por microscopía de rayos X se complementó con otras investigaciones espectroscópicas y microscópicas. Tras un análisis exhaustivo de los datos, ahora se presentan los resultados: ofrecen información sobre cambios en la morfología y estructura del material, así como sobre procesos químicos durante la descarga.

“La microscopía de rayos X de transmisión con rayos X suaves permite visualizar estados químicos en partículas LRTMO con alta resolución espacial en tres dimensiones y obtener conocimientos sobre reacciones químicas durante el ciclo electroquímico”, explica el Dr. Stephan Werner, quien supervisa científicamente y desarrolla el instrumento.

Así, los resultados proporcionan información sobre distorsiones locales en la red, que están relacionadas con cambios de fase y formación de nanopores. También se pudo determinar localmente los estados de oxidación de elementos individuales. La velocidad de los procesos de carga juega un papel importante: una carga lenta favorece los cambios de fase y la pérdida de oxígeno, mientras que una carga rápida conduce a distorsiones en la red y a una difusión de litio no homogénea.

“Aquí en el TXM tenemos una opción única: podemos ofrecer una tomografía de transmisión con energía elevada”, dice Werner. “De esta manera, obtenemos una imagen 3D con información estructural para cada nivel de energía específico del elemento, es decir, la energía es la cuarta dimensión”.

Los conocimientos de este estudio aportan información valiosa para el desarrollo de cátodos de alto rendimiento que sean estables a largo plazo y resistentes a ciclos. “El TXM está perfectamente adaptado para proporcionar, mediante estudios in situ o in operando — es decir, durante la carga o descarga —, nuevas ideas sobre cambios morfológicos y químicos en los materiales de las baterías”, dice el Prof. Gerd Schneider, quien desarrolló el TXM.