Mapeo Nanoquímico 3D de nanopartículas en baterías litio

A medida que la batería se carga y descarga, sus electrodos se oxidan y reducen alternativamente.  Conocer las ubicaciones precisas de las reacciones químicas dentro de las nanopartículas individuales que participan ayuda a comprender el funcionamiento de la batería y descubrir la forma de optimizar su rendimiento. Las vías químicas por las cuales ocurren las reacciones ayudan a determinar la velocidad de agotamiento de una batería. Las herramientas disponibles para estudiar estas reacciones solo pueden proporcionar información sobre la composición promedio de los electrodos en cualquier punto dado en el tiempo e informar el porcentaje del electrodo que se ha oxidado permanentemente. Pero estas herramientas no pueden proporcionar información sobre la ubicación fina de las partes oxidadas en el electrodo. 

Imagen 3D del fosfato de Fe y Li . Crédito:Jordi Cabana

Debido a estas limitaciones, no es posible determinar si las reacciones se producen en un área determinada, como la superficie del material o de manera uniforme en el total. Investigadores de la University of Illinois de Chicago y del Lawrence Berkeley National Laboratory han desarrollado una nueva técnica que les permite identificar la ubicación de las reacciones químicas que suceden dentro de las baterías de iones de litio en tres dimensiones a nivel de nanoescala. Sus resultados se publicaron en la revista Nature Communications. La nueva técnica, denominada X-ray ptychographic tomography, se basa en el desarrollo de algoritmos utilizados para ayudar a responder preguntas fundamentales sobre los materiales de la batería y su comportamiento. Permite establecer si existe una tendencia a que una reacción tenga lugar en una parte específica del electrodo, y mejor aún, la ubicación de las reacciones en las nanopartículas individuales en el electrodo. Esto es extremadamente útil porque permite entender cómo esas las reacciones localizadas se relacionan con el comportamiento de la batería, como su tiempo de carga o la cantidad de ciclos de recarga que puede realizar de manera eficiente. 
Los investigadores aplicaron la técnica tomográfica para observar decenas de nanopartículas de fosfato de hierro y litio recuperadas del electrodo de una batería parcialmente cargada.  Utilizaron un haz de rayos X coherente a nanoescala para interrogar a cada nanopartícula. El patrón de absorción del haz de rayos X por el material proporcionó a los investigadores la información sobre el estado de oxidación del hierro. Pudieron mover la muestra secuencialmente unos pocos nanómetros y ejecutar nuevamente su interrogatorio pudiendo reconstruir los mapas químicos de las nanopartículas con una resolución de aproximadamente 11 nanómetros.  Al rotar el material en el espacio, realizaron una reconstrucción tomográfica tridimensional de los estados de oxidación en cada nanopartícula. En otras palabras, pueden establecer hasta qué punto había reaccionado una nanopartícula individual de fosfato de hierro y litio.
La nueva técnica, no solo permite observar nanopartículas individuales con diferentes grados de reacción en un momento dado, sino también cómo la reacción avanza en el interior de cada nanopartícula. El estudio de lo nano por algo más nano.

Lectura complementaria (artículo completo):                                                                                Three-dimensional localization of nanoscale battery reactions using soft X-ray tomography.