El estudio realizado por los investigadores de la Universidad de Rice, en Houston, Texas, sugiere que el estrés causado por las partículas que se depositan de manera irregular y desalineada en los electrodos de las baterías de litio ferrofosfato (LFP) limita su flujo. Este mejora cuanto mayor porosidad presentan el cátodo y el ánodo, lo que da una pista a los ingenieros sobre cómo deberían diseñarse estos para lograr una mayor potencia de salida en las baterías y aumentar las velocidades de carga.
El equipo de Ming Tang, profesor asociado de ciencia de materiales y nanoingeniería en la Universidad de Rice analizó las interacciones a escala nanométrica y micrométrica dentro de los cátodos de las baterías de fosfato de hierro y litio. Para ello utilizó el modelado y las imágenes ofrecidas por el microscopio de rayos X del Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Laboratorio Nacional de Argonne.
El artículo ha sido recientemente publicado en la revista ACS Energy Letters de la American Chemical Society, respalda las teorías formuladas por Tang y sus colegas hace varios años sobre cómo viaja el litio dentro de un cátodo de batería comercial en un entorno dinámico. "Las baterías tienen muchos agregados de partículas que absorben y liberan litio, y queríamos saber qué sucede en sus superficies y comprobar la uniformidad de la reacción a lo largo del tiempo", afirma Tang en el comunicado de prensa de Rice. "En general, siempre es mejor una reacción más uniforme para poder cargar la batería más rápido".
Usando el sincrotrón de rayos X de Brookhaven, un acelerador de partícula que mantiene a estas en una órbita cerrada, los investigadores observaron que algunas regiones dentro del cátodo absorbían mejor los iones de litio que otras. La capacidad para observar partículas individuales o agregadas en 3D de esta máquina mostró que en lugar de reaccionar en toda su superficie se favorecían unas regiones particulares sobre otras. Al ser capaces de observar la carga y descarga de los cátodos sellados a través del sincrotrón ofreció una prueba absoluta de su funcionamiento.
"Esta manera de funcionar es muy diferente a lo que se sabía hasta ahora", asegura Tang. "La observación más interesante es que las regiones de reacción tienen forma de filamentos unidimensionales que se extienden sobre la superficie de las partículas agregadas. A pesar de ser poco extraño, coincidía con lo que veíamos en nuestros modelos". Tang añade que los filamentos de litio se parecen a nanotubos gruesos y tienen varios cientos de nanómetros de ancho y varias micras de largo.
Según Tang, los pequeños cristales desalineados en los aglomerados de partículas impiden que el litio se inserte o extraiga uniformemente de la superficie del agregado porque eso generaría una penalización energética demasiado grande. En cambio, el litio se ve obligado a fluir dentro o fuera de los agregados en los "puntos calientes" que desarrollan la forma del filamento. "Esto es un inconveniente", explica Tang, "debido a que el litio no puede entrar en el cátodo de manera uniforme y se ralentiza la mecánica de intercalación".
Por lo tanto, hacer que la inserción de litio sea más uniforme podría mejorar el rendimiento de la batería. "Lo que ofrece nuestro estudio son algunas formas potenciales de ayudar a que la inserción o extracción de litio sea más uniforme en estos agregados o partículas individuales", continúa. "Introducir más porosidad en los aglomerados de partículas podría sacrificar algo de densidad de energía, pero al mismo tiempo permitiría que el litio entrase de manera más uniforme. Lo que se traduciría en una mayor capacidad energética a una tasa de carga/descarga dada. Otra idea es que si de alguna manera podemos alinear la orientación de estas pequeñas partículas para que su expansión máxima sea perpendicular entre sí, se adaptarán mejor a la intercalación de litio", dijo.
