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Los rayos X se utilizan para comprender las fallas de la carga rápida de la batería - ScienceDaily

Los rayos X se utilizan para comprender las fallas de la carga rápida de la batería

by / Comentarios desactivados en Los rayos X se utilizan para comprender las fallas de la carga rápida de la batería / 1 View / febrero 11, 2019


Una mirada más cercana revela cómo la carga rápida puede obstaculizar el rendimiento de la batería.

Mientras que los tanques de gas se pueden llenar en cuestión de minutos, cargar la batería de un automóvil eléctrico demora mucho más. Para nivelar el campo de juego y hacer que los vehículos eléctricos sean más atractivos, los científicos están trabajando en tecnologías de carga rápida.

La carga rápida es muy importante para los vehículos eléctricos ", dijo el científico de baterías Daniel Abraham del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés)." Nos gustaría poder cargar la batería de un vehículo eléctrico en menos de 15 minutos, e incluso Más rápido si es posible ".

"Al ver exactamente cómo se distribuye el litio dentro del electrodo, estamos ganando la capacidad de determinar con precisión la forma no homogénea en que una batería envejece". – Daniel Abraham, científico de la batería de Argonne.

El principal problema con la carga rápida ocurre durante el transporte de iones de litio desde el cátodo positivo al ánodo negativo. Si la batería se carga lentamente, los iones de litio extraídos del cátodo se insertan gradualmente entre los planos de los átomos de carbono que forman el ánodo de grafito, un proceso conocido como intercalación de litio.

Pero cuando este proceso se acelera, el litio puede terminar depositándose en la superficie del grafito como metal, lo que se denomina enchapado de litio. "Cuando esto sucede, el rendimiento de la batería sufre dramáticamente, porque el litio plateado no se puede mover de un electrodo al otro", dijo Abraham.

Según Abraham, este metal de litio reducirá químicamente el electrolito de la batería, causando la formación de una interfase de electrólito sólido que ata los iones de litio para que no puedan ser transportados entre los electrodos. Como resultado, se puede almacenar menos energía en la batería con el tiempo.

Para estudiar el movimiento de los iones de litio dentro de la batería, Abraham se asoció con el investigador postdoctoral Koffi Pierre Yao y el físico de rayos X de Argonne John Okasinski en la Fuente avanzada de fotones del laboratorio, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Allí, Okasinski creó esencialmente una imagen 2D de la batería utilizando rayos X para obtener imágenes de cada fase de grafito litiado en el ánodo.

Al obtener esta visión, los investigadores pudieron cuantificar con precisión la cantidad de litio en diferentes regiones del ánodo durante la carga y descarga de la batería.

En el estudio, los científicos establecieron que el litio se acumula en regiones cercanas al separador de la batería en condiciones de carga rápida.

"Uno podría esperar eso solo por el sentido común", explicó Abraham. "Pero al ver exactamente cómo se distribuye el litio dentro del electrodo, estamos ganando la capacidad de determinar con precisión la forma no homogénea en que una batería envejece".

Para ver selectivamente una región particular en el corazón de la batería, los investigadores utilizaron una técnica llamada difracción de rayos X de energía dispersiva. En lugar de variar el ángulo del haz para alcanzar áreas de interés particulares, los investigadores variaron la longitud de onda de la luz incidente.

Mediante el uso de rayos X, los científicos de Argonne pudieron determinar las estructuras cristalinas presentes en las capas de grafito. Debido a que el grafito es un material cristalino, la inserción de litio hace que la red de grafito se expanda en diversos grados. Esta hinchazón de las capas es notable como una diferencia en los picos de difracción, dijo Okasinski, y las intensidades de estos picos dan el contenido de litio en el grafito.

Si bien esta investigación se centra en las baterías de celda pequeña, Okasinski dijo que estudios futuros podrían examinar el comportamiento de litiación en baterías de celda de bolsa más grandes, como las que se encuentran en teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos.



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