Se están desarrollando nuevos materiales catódicos para aumentar aún más la capacidad de las baterías de litio. Los óxidos de metales de transición multicapa ricos en litio (LRTMO) ofrecen densidades de energía particularmente altas. Sin embargo, su capacidad disminuye con cada ciclo de carga debido a cambios estructurales y químicos. Utilizando métodos de rayos X en BESSY II, equipos de varias instituciones de investigación chinas han investigado estos cambios por primera vez con la máxima precisión: en microscopios de rayos X únicos, pudieron observar desarrollos morfológicos y estructurales a escala nanométrica y También aclarar los cambios químicos.
Las baterías de iones de litio serán más potentes con nuevos materiales para cátodos Por ejemplo, los cátodos de metales de transición ricos en litio (LRTMO) en capas pueden aumentar aún más la capacidad de carga y usarse en baterías de litio de alto rendimiento. Sin embargo, hasta ahora se ha descubierto que estos materiales catódicos “envejecen” rápidamente: la migración de ida y vuelta de iones de litio durante la carga y descarga degrada el material catódico. Hasta ahora no estaba claro si habría algún cambio específico.
Por lo tanto, equipos de instituciones de investigación chinas solicitaron tiempo de haz en el único microscopio de transmisión de rayos X (TXM) del mundo en una línea de luz ondulada en el anillo de almacenamiento BESSY II para investigar sus muestras mediante tomografía 3D y nanoespectroscopia. Las mediciones de HZB-TXM fueron realizadas por el Dr. Peter Gutmann, HZB, en 2019, antes de la pandemia de coronavirus. A continuación, el análisis microscópico de rayos X se complementó con un examen espectroscópico y microscópico adicional. Tras una cuidadosa evaluación de numerosos datos, los resultados ya están disponibles: proporcionan información detallada sobre la morfología y los cambios estructurales del material, pero también sobre los procesos químicos durante la descarga.
“La microscopía suave de transmisión de rayos X nos permite visualizar el estado químico de las partículas LRTMO en tres dimensiones con alta resolución espacial y obtener información sobre las reacciones químicas durante el ciclo electroquímico”, explica el Dr. Stefan Werner, responsable de la supervisión científica y mayor desarrollo de instrumentos.
Los resultados proporcionan información sobre las deformaciones locales de la red asociadas con las transiciones de fase y la formación de nanoporos. El estado de oxidación de elementos individuales también se puede determinar localmente. La velocidad del proceso de carga juega aquí un papel importante: la carga lenta favorece las transiciones de fase y el agotamiento del oxígeno, mientras que la carga rápida provoca una distorsión de la red y una dispersión homogénea del litio.
“En TXM tenemos una capacidad única: podemos ofrecer tomografías de rayos X por transmisión con resolución de energía”, afirma Werner. “Esto nos proporciona una imagen tridimensional con información estructural en cada nivel de energía específico del elemento; aquí la energía es la cuarta dimensión”.
Los resultados de este estudio proporcionan información valiosa para el desarrollo de cátodos de alto rendimiento que sean estables a largo plazo y resistentes a los ciclos. “El TXM es ideal para proporcionar nuevos conocimientos sobre futuros cambios morfológicos y químicos en los materiales de las baterías mediante el estudio del operando, es decir, durante la carga y la descarga”, afirma el profesor Gerd Schneider, que desarrolló el TXM.