Investigadores estadounidenses han creado pentóxido de niobio, un material de alto rendimiento con una estructura cristalina novedosa para electrodos de batería.
En un artículo publicado en la revista Nature Materials , los científicos explican que el nuevo material promete acelerar la carga de las baterías de iones de litio al tiempo que proporciona una excelente capacidad de almacenamiento.
El equipo señala que durante la carga, los iones de litio se mueven del electrodo positivo al electrodo negativo, comúnmente hecho de grafito. A velocidades de carga más altas, el litio metálico tiende a acumularse en la superficie del grafito. Este efecto, conocido como enchapado, tiende a degradar el rendimiento y puede provocar que las baterías se cortocircuiten, se sobrecalienten y se incendien.
El pentóxido de niobio, sin embargo, es mucho menos susceptible al recubrimiento, lo que lo hace potencialmente más seguro y duradero que el grafito. Además, sus átomos pueden organizarse en muchas configuraciones estables diferentes que no requieren mucha energía para reconfigurarse.
Para este estudio, los investigadores construyeron una celda tipo moneda, o un pequeño dispositivo de batería de forma circular, con pentóxido de niobio como material de electrodo. El pentóxido de niobio tenía una estructura amorfa, en otras palabras, una disposición desordenada de átomos. Cuando la celda fue cargada y descargada numerosas veces, la estructura desordenada se transformó en una ordenada y cristalina. Esta estructura particular nunca había sido reportada previamente en la literatura científica.
En comparación con la disposición desordenada, la estructura cristalina permitió un transporte más fácil y rápido de iones de litio al ánodo durante la carga. Este hallazgo apunta a la promesa del material de una carga rápida, y otras mediciones sugieren que puede almacenar una gran cantidad de carga.
Debido a los cambios complejos durante el ciclo de carga y descarga, se necesitaron varias herramientas de diagnóstico complementarias para una comprensión integral.
De la microscopía electrónica a la difracción de rayos X sincrotrón
Yuzi Liu, científico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne y uno de los coautores del artículo, utilizó una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión para verificar la transformación estructural de amorfo a cristalino. Esta técnica envía haces de electrones de alta energía a través de una muestra de material. Crea imágenes digitales basadas en la interacción de los electrones con la muestra. Las imágenes muestran cómo se organizan los átomos.
“Dado que el haz de electrones se enfoca en un área pequeña de la muestra, la técnica proporciona información detallada sobre esa área en particular”, dijo Liu en un comunicado de prensa.
El científico y sus colegas también utilizaron la difracción de rayos X sincrotrón para confirmar el cambio estructural. Esta técnica consiste en golpear la muestra con haces de rayos X de alta energía, que son dispersados por los electrones de los átomos del material. Un detector mide esta dispersión para caracterizar la estructura del material.
Según Liu, la difracción de rayos X es eficaz para proporcionar información sobre los cambios estructurales generales en una muestra de material completa. Esto puede ser útil para estudiar los materiales de los electrodos de las baterías porque sus estructuras tienden a variar de un área a otra.
Así, golpeando el material del ánodo con haces de rayos X en diferentes ángulos, fue posible confirmar que era uniformemente cristalino a lo largo de la superficie y en el interior.
Una vez hecho esto, el equipo utilizó una herramienta llamada espectroscopia de fotoelectrones de rayos X para evaluar el material del ánodo. Dispararon haces de rayos X al ánodo, expulsando electrones con cierta energía.
La técnica reveló que los átomos de niobio ganan múltiples electrones a medida que se carga la celda. Esto sugiere que el ánodo tiene una alta capacidad de almacenamiento.
«Es muy difícil hacer el pentóxido de niobio cristalino de alto rendimiento con métodos de síntesis tradicionales, como los que someten los materiales a calor y presión», se lee en el comunicado de prensa. “El enfoque de síntesis no convencional utilizado con éxito en este estudio (cargar y descargar una celda de batería) podría aplicarse para fabricar otros materiales de batería innovadores. Potencialmente, incluso podría respaldar la fabricación de materiales novedosos en otros campos, como semiconductores y catalizadores”.
Fuente: Mining