Las modalidades de ciencia de superficies arrojan nueva luz sobre la difusión de litio en los materiales de las baterías

Microingeniería de vacío OCI, un fabricante canadiense de instrumentación especializada para el análisis de superficies de películas delgadas, está aplicando su conocimiento y experiencia de dominio colectivo al estudio de la difusión de litio localizada dentro de una gama de materiales de almacenamiento de energía. La esperanza es que la iniciativa de I+D interna, si se traduce en una adopción comercial a gran escala en toda la cadena de suministro de baterías, generará capacidades analíticas innovadoras para acelerar la evaluación y optimización de materiales de electrodos, capas intermedias y estabilizadores de próxima generación. compuestos para tecnologías de baterías a base de litio.

En términos de detalles del proyecto, el equipo de OCI está rastreando la difusión de litio en estado sólido desde una fuente de fase gaseosa en materiales de batería de película delgada utilizando dos "caballos de batalla analíticos" del mundo de la ciencia de superficie: espectroscopía de electrones Auger (AES) y baja energía. difracción de electrones (LEED). Implementadas en tándem, las dos modalidades brindan información complementaria sobre la muestra en estudio, con AES interrogando la composición elemental del entorno cercano a la superficie (generalmente a una profundidad de 3 a 10 nm), mientras que LEED determina la estructura superficial de monocristalino materiales mediante bombardeo con un haz colimado de electrones de baja energía (y posterior observación de electrones difractados en una pantalla fluorescente).

Perspectivas únicas

Establecida en 1990, OCI ya cuenta con una base internacional de clientes de I+D que emplea sus espectrómetros LEED y AES para caracterizar todo tipo de nanomateriales. Las aplicaciones clave incluyen materiales 2D, películas delgadas orgánicas para dispositivos electrónicos, fotovoltaica avanzada y películas delgadas magnéticas (para aplicaciones espintrónicas y superconductoras), en cada caso asegurando la compatibilidad con casi cualquier sistema de deposición de película delgada al vacío (incluida la epitaxia de haz molecular y la deposición de vapor químico). ).

"En este momento, el uso de herramientas de ciencia de superficies para evaluar la difusión de litio en materiales de almacenamiento de energía es un esfuerzo de prueba de principio de nuestra parte", explica Jozef Ociepa, presidente y científico jefe de OCI. El objetivo, agrega, es utilizar datos experimentales del mundo real para educar a los clientes potenciales y existentes sobre la utilidad de AES/LEED para sus programas de I+D de baterías y, en el proceso, abrir nuevas oportunidades comerciales para OCI. “Queremos mostrar a los fabricantes de baterías y a las empresas de materiales avanzados cómo LEED y AES pueden ayudarlos a mirar con 'nuevos ojos' el rendimiento de las baterías, evaluando la física fundamental de los nuevos materiales de ánodo y cátodo, por ejemplo, en las primeras etapas del producto. ciclo de desarrollo”.

Todo lo cual es importante dada la búsqueda incesante de la industria de las baterías de materiales de electrodos innovadores capaces de acumular más iones de litio en sus estructuras cristalinas, al mismo tiempo que garantiza una alta movilidad de los iones de litio, un ciclo de carga estable y una vida útil prolongada. “Sin duda, la tecnología de baterías basadas en iones de litio es un éxito comprobado, pero aún existen problemas fundamentales de rendimiento que abordar”, señala Ociepa. Esos problemas incluyen baja densidad de energía, degradación de la capacidad y crecimiento de dendritas (estructuras de litio en forma de árbol que pueden provocar una falla catastrófica de la batería). “El uso de LEED y AES abrirá un espectro más amplio de capacidades analíticas para caracterizar mejor la próxima generación de materiales para baterías”, agrega.

Ociepa y sus colegas han estado desarrollando su Probador de difusión de litio, que requiere un entorno operativo de ultra alto vacío (UHV), durante los últimos 18 meses y presentó los resultados de la investigación inicial para una gama de materiales en la Reunión anual de la Sociedad Electroquímica (ECS) en Atlanta, GA, en octubre del año pasado (consulte "Cómo la física fundamental impulsa el rendimiento de la batería", a continuación). Dado que los instrumentos AES y LEED son líneas de productos OCI probadas y probadas, el avance tecnológico radica en la integración de múltiples componentes básicos en el sistema de prueba de difusión, específicamente, la configuración AES/LEED, la fuente de evaporación de litio, el enfriamiento de la etapa de muestra. y calefacción, así como la cerradura de carga y la guantera.

“El Lithium Diffusion Tester ahora es un sistema llave en mano que está listo para enviarse a los clientes con un plazo de entrega de seis meses a partir del pedido”, señala Ociepa. “Actualmente estamos en la etapa de implementación y validación de la plataforma en una gama de materiales de batería, incluido el silicio nanoestructurado, el carburo de silicio y el grafito pirolítico altamente orientado”.

La localización es clave

La innovación tecnológica también está en curso, con el equipo de OCI integrando recientemente una celda de prueba electroquímica compatible con UHV junto con el Lithium Diffusion Tester. Esta configuración ampliada abre el camino a la caracterización in situ de la superficie de electrodos de batería individuales utilizando LEED y AES, con esos componentes transferibles desde la celda de prueba electroquímica a la cámara de prueba de difusión sin romper las condiciones de vacío.

La gran victoria aquí es el uso de modalidades de ciencia de superficies para medir la difusión de litio dentro de electrodos individuales por separado de la celda de la batería, un avance significativo para los fabricantes de baterías, cuyos métodos de prueba electroquímicos tradicionales rastrean la difusión de litio a través del ánodo, el cátodo y el electrolito combinados en el célula. “Nuestro enfoque AES/LEED ofrece una localización sin precedentes y una imagen más granular para informar las pruebas de rendimiento, el análisis de degradación y fallas y las mediciones de predicción de vida útil en materiales candidatos para baterías de próxima generación”, señala Ociepa.

En última instancia, concluye Ociepa, las modalidades combinadas tienen el potencial de generar conjuntos de datos únicos sobre la difusión de litio que la industria no puede obtener de otra manera. “Creemos que esta capacidad brindará una visión alternativa del rendimiento de la batería, acelerará la adopción de nuevos materiales candidatos y, al mismo tiempo, identificará los puntos críticos de falla al principio del ciclo de desarrollo del producto”.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/surface-science-modalities-shed-new-light-on-lithium-diffusion-in-battery-materials/