Los diamantes y otros cristales a la vista en las exhibiciones del museo de ciencias son una delicia para la vista. Lo que contribuye a sus formas y colores geométricos a veces deslumbrantes es su disposición altamente ordenada de átomos. Para los materiales cristalinos en los electrodos de batería, su microestructura ordenada tienebeneficios prácticos para facilitar la transferencia de iones dentro del electrodo durante la carga y descarga.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han creado y probado un electrodo de cristal único que promete producir descubrimientos fundamentales para baterías avanzadas en desarrollo en todo el mundo para vehículos eléctricos, productos electrónicos de consumo y otras aplicaciones. Colaborando en el proyectofueron investigadores de la Universidad Northwestern y la Universidad de Illinois en Chicago.
Los materiales de los electrodos en las baterías avanzadas son "policristalinos", lo que significa que tienen numerosas regiones cristalinas de orientación diferente. Debido a que los electrodos policristalinos son relativamente simples de fabricar, los científicos se han centrado en investigaciones anteriores de baterías para experimentar con estos materiales, que están llenos de diferentes tipos dedefectos dentro de las estructuras ordenadas que a menudo pueden afectar el rendimiento.
"Reconocimos que los cristales individuales pueden desempeñar un papel vital en la identificación de nuevas y prometedoras formas de comprender, a niveles atómicos y moleculares, las químicas que controlan los procesos de descarga de carga en baterías con electrodos policristalinos", señaló Sanja Tepavcevic, científica asistente en ArgonneDivisión de Ciencia de Materiales.
Como sistema modelo para investigar su cátodo monocristalino, el equipo eligió la batería de iones de sodio en desarrollo para competir con las baterías de iones de litio actuales. La atracción principal de estas baterías es que el sodio es un elemento mucho más abundante que ellitio utilizado para baterías de iones de litio.
El equipo preparó cristales individuales de un óxido de sodio-iridio Na 2 IrO 3 y los usó como material de cátodo en pequeñas celdas de prueba.A modo de comparación, también probaron células similares con cátodos policristalinos.Al recurrir a las instalaciones científicas en Argonne, en particular, la Fuente avanzada de fotones APS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, pudieron determinar la posición precisa de cada átomo en la estructura cristalina para diferentes estados de carga celular ydescarga.
"Este proyecto simplemente no hubiera sido posible sin los recursos extraordinarios de caracterización de materiales del APS", dijo Tepavcevic. "También nos beneficiamos enormemente de la experiencia de la miembro del equipo Jennifer Hong Zheng en su capacidad de clase mundial para cultivar cristales individuales paraespecificaciones precisas "
Se aprendió mucho sobre la química del cátodo durante el ciclo de carga y descarga de las células de prueba. En particular, el equipo investigó el origen de la capacidad adicional más allá de la esperada para el NaIrO 3 estructura de punto final. "Con nuestros cristales individuales, podríamos separar la superficie de los efectos de volumen que no eran evidentes en trabajos anteriores con materiales policristalinos solos", dijo Tepavcevic. El equipo demostró que la capacidad adicional se deriva de las reacciones de la superficie, no del volumen deel material como se pensaba anteriormente
Importante para mejorar el diseño de la batería es saber cómo y por qué ocurren los cambios de material durante el ciclo. A partir de los resultados de su prueba, el equipo determinó la estructura química de las tres fases distintas que se forman durante la carga, dos de las cuales no se conocían antes. También encontraronesa capacidad de la celda se desvaneció con el ciclo debido a la formación de una nueva fase perjudicial en la carga, que persistió durante la descarga y aumentó de tamaño con el número de ciclo.
"Aprendimos más acerca de las baterías de iones de sodio con nuestros electrodos de cristal único de lo que creíamos posible al inicio del proyecto", dijo John Mitchell, miembro distinguido de Argonne en la división de Ciencia de los Materiales. "Claramente, los cristales individuales abren la ventana auna mejor comprensión de las transformaciones químicas y electrónicas que controlan el almacenamiento y la liberación de energía en todos los tipos de baterías, así como sus mecanismos de degradación con el ciclo ". Con tal conocimiento, los futuros investigadores de baterías podrán desarrollar reglas de diseño para sintetizar nuevas y mejoradasmateriales policristalinos con la funcionalidad deseada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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