El fosfato de hierro y litio es uno de los materiales más importantes para las baterías de los coches eléctricos, los sistemas estacionarios de almacenamiento de energía y las herramientas.Tiene una larga vida útil, es comparativamente económico y no tiende a arder espontáneamente.La densidad energética también está avanzando.Sin embargo, los expertos todavía se preguntan por qué las baterías de fosfato de hierro y litio reducen en la práctica su capacidad teórica de almacenamiento de electricidad hasta en un 25%.

Para utilizar esta reserva de capacidad inactiva, sería crucial saber exactamente dónde y cómo se almacenan y liberan los iones de litio delmaterial de la bateríadurante los ciclos de carga y descarga.

Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz) han dado ahora un paso significativo en esta dirección.Utilizando microscopios electrónicos de transmisión, pudieron rastrear sistemáticamente los iones de litio a medida que viajaban a través del material de la batería, mapear su disposición en la red cristalina de un cátodo de fosfato de hierro con una resolución sin precedentes y cuantificar con precisión su distribución en el cristal.

Su estudio espublicadoen el diarioMateriales energéticos avanzados.

Pista clave para aumentar aún más la capacidad de las baterías

"Nuestras investigaciones han demostrado que, incluso cuando las celdas de la batería de prueba están completamente cargadas, los iones de litio permanecen en la red cristalina del cátodo en lugar de migrar al ánodo. Estos iones inmóviles conllevan un coste en capacidad", afirma Daniel Knez del Instituto deMicroscopía electrónica y nanoanálisis en TU Graz.

Los iones de litio inmóviles están distribuidos de manera desigual en el cátodo.Los investigadores lograron determinar con precisión estas zonas con diferentes niveles de enriquecimiento de litio y separarlas entre sí con una precisión de unos pocos nanómetros.

Se encontraron distorsiones y deformaciones en la red cristalina del cátodo en las zonas de transición.

"Estos detalles proporcionan información importante sobre los efectos físicos que hasta ahora han contrarrestado la eficiencia de la batería y que podemos tener en cuenta en el futuro desarrollo de los materiales", afirma Ilie Hanzu del Instituto de Química y Tecnología de Materiales, que participó estrechamente enel estudio.

Los métodos también son transferibles a otros materiales de baterías.

Para sus investigaciones, los investigadores prepararon muestras de material de los electrodos de baterías cargadas y descargadas y las analizaron bajo el microscopio ASTEM de resolución atómica en la TU Graz.ellos combinaronespectroscopia de pérdida de energía de electronescon mediciones de difracción de electrones e imágenes a nivel atómico.

"Al combinar diferentes métodos de examen, pudimos determinar dónde se encontraba ellitioestá situado en los canales del cristal y cómo llega allí", explica Nikola Å imiÄ del Instituto de Microscopía Electrónica y Nanoanálisis, el primer autor del artículo.

"Los métodos que hemos desarrollado y el conocimiento que hemos adquirido sobre la difusión de iones se pueden transferir a otrosbateríamateriales con sólo pequeños ajustes para caracterizarlos aún más precisamente y desarrollarlos aún más."