Investigadores de la Universidad de Oxford han desarrollado un nuevo y potente método para visualizar un componente esencial de los electrodos de las baterías de iones de litio, que hasta ahora había sido extremadamente difícil de rastrear. Este descubrimiento, publicado en Nature Communications, podría conducir a una mayor eficiencia en la fabricación de electrodos de baterías y, en última instancia, mejorar la velocidad de carga y la vida útil de las baterías de iones de litio.
Capas nanoscópicas de carboximetilcelulosa (CMC) y aglomerados de caucho de estireno-butadieno (SBR) sobre partículas de grafito detectados con imágenes de electrones retrodispersados selectivos en energía (EsB) en un ánodo de iones de litio de laboratorio después de la bromación. La diferencia de estabilidad entre el SBR bromado y el CMC bromado durante la imagen electrónica permite distinguir ambos aglutinantes individualmente en la imagen EsB. La imagen EsB se ha coloreado para facilitar la distinción de las diferentes fases del aglutinante.
Stanislaw Zankowski
El estudio se centró en los aglutinantes poliméricos modernos utilizados en los electrodos negativos de las baterías de iones de litio (ánodos). Estos aglutinantes desempeñan un papel fundamental en la unión de los materiales del electrodo, afectando a su estabilidad mecánica, conductividad eléctrica e iónica y vida útil. Sin embargo, debido a que representan menos del 5% del peso del electrodo y carecen de características distintivas, su distribución en los ánodos ha sido casi imposible de visualizar o controlar. Esto ha obstaculizado los esfuerzos para mejorar el rendimiento de las baterías, ya que la ubicación del aglutinante influye directamente en la conductividad, la estabilidad y la durabilidad a largo plazo del electrodo.
Para abordar este problema, los investigadores desarrollaron una nueva técnica de tinción, pendiente de patente, que utiliza marcadores trazables de plata y bromo para etiquetar los aglutinantes derivados de celulosa y látex en ánodos basados en grafito y silicio. Estas etiquetas hacen que los aglutinantes sean visibles al producir rayos X característicos (medidos con espectroscopía de dispersión de energía de rayos X) o al reflejar electrones de alta energía desde la superficie de la muestra (medidos con imágenes de electrones retrodispersados selectivos en energía). Cuando se detectan con un microscopio electrónico, estos métodos proporcionan información precisa sobre la distribución de los elementos y la topografía de la superficie.
El autor principal, el Dr. Stanislaw Zankowski (Departamento de Materiales, Universidad de Oxford), declaró: “Esta técnica de tinción abre una caja de herramientas completamente nueva para comprender cómo se comportan los aglutinantes modernos durante la fabricación del electrodo. Por primera vez, podemos ver con precisión la distribución de estos aglutinantes no solo de forma general (es decir, su espesor en todo el electrodo), sino también localmente, como capas y cúmulos de aglutinantes a nanoescala, y correlacionarlos con el rendimiento del ánodo”.
Es importante destacar que el método de imagen funciona no solo en electrodos basados en grafito, sino también en materiales más avanzados como el silicio o el SiOx, lo que lo hace aplicable a diseños de baterías de próxima generación.
Utilizando este método, el equipo descubrió que pequeños cambios en la distribución de los aglutinantes podían afectar drásticamente la eficiencia con la que se carga una batería y su duración. Por ejemplo, ajustando los protocolos de mezcla y secado de la pasta, los investigadores redujeron la resistencia iónica interna de los electrodos de prueba hasta en un 40%, un cuello de botella clave para la carga rápida.
El estudio también capturó las esquivas capas nanoscópicas de aglutinante de carboximetilcelulosa (CMC) que recubren las superficies de las partículas de grafito. La imagen proporcionó una detección sin precedentes de capas de CMC de 10 nm de espesor, resolviendo tamaños de características en cuatro órdenes de magnitud en una sola imagen. Esto reveló cómo las finas capas de CMC se fragmentan a partir de un revestimiento inicialmente completo en parches rotos e inhomogéneos durante el procesamiento del electrodo, lo que podría perjudicar el rendimiento y la estabilidad de la batería.
El coautor, el profesor Patrick Grant (Departamento de Materiales, Universidad de Oxford), dijo: “Este esfuerzo multidisciplinario, que abarca química, microscopía electrónica, pruebas electroquímicas y modelado, ha dado como resultado un enfoque de imagen innovador que nos ayudará a comprender los procesos de superficie clave que afectan a la longevidad y el rendimiento de la batería. Esto impulsará los avances en una amplia gama de aplicaciones de baterías”.
