En un artículo publicado en la revista Nature Materials, los científicos explican que el nuevo material es prometedor para acelerar la carga de las baterías de iones de litio y proporcionar una excelente capacidad de almacenamiento.

El equipo señala que, durante la carga, los iones de litio se desplazan del electrodo positivo al negativo, que suele ser de grafito. A mayor velocidad de carga, el metal de litio tiende a acumularse en la superficie del grafito. Este efecto, conocido como chapado, tiende a degradar el rendimiento y puede hacer que las baterías sufran un cortocircuito, se sobrecalienten y se incendien.

El pentóxido de niobio, sin embargo, es mucho menos susceptible de ser chapado, lo que lo hace potencialmente más seguro y duradero que el grafito. Además, sus átomos pueden organizarse en muchas configuraciones estables diferentes que no requieren mucha energía para reconfigurarse.

Para este estudio, los investigadores construyeron una pila tipo moneda -un pequeño dispositivo de batería de forma circular- con pentóxido de niobio como material de electrodo. El pentóxido de niobio tenía una estructura amorfa, es decir, una disposición desordenada de los átomos.

Cuando la célula se cargó y descargó varias veces, la estructura desordenada se transformó en una estructura ordenada y cristalina. Esta estructura concreta nunca se había descrito en la literatura científica.

En comparación con la disposición desordenada, la estructura cristalina permitió un transporte más fácil y rápido de los iones de litio hacia el ánodo durante la carga. Este hallazgo apunta a que el material es prometedor para la carga rápida, y otras mediciones sugieren que puede almacenar una gran cantidad de carga.

Debido a los complejos cambios que se producen durante el ciclo de carga-descarga, se necesitaron varias herramientas de diagnóstico complementarias para lograr una comprensión completa.

DE LA MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA A LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X DE SINCROTRÓN
Yuzi Liu, científico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne y uno de los coautores del artículo, utilizó una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión para verificar la transformación estructural de amorfo a cristalino.

Esta técnica envía haces de electrones de alta energía a través de una muestra de material. Crea imágenes digitales basadas en la interacción de los electrones con la muestra. Las imágenes muestran la disposición de los átomos.

"Como el haz de electrones se centra en una pequeña zona de la muestra, la técnica proporciona información detallada sobre esa zona concreta", explica Liu.

El científico y sus colegas también utilizaron la difracción de rayos X de sincrotrón para confirmar el cambio estructural. Esta técnica consiste en golpear la muestra con haces de rayos X de alta energía, que son dispersados por los electrones de los átomos del material. Un detector mide esta dispersión para caracterizar la estructura del material.

Según Liu, la difracción de rayos X es eficaz para proporcionar información sobre los cambios estructurales generales en toda una muestra de material. Esto puede ser útil para estudiar los materiales de los electrodos de las baterías, ya que sus estructuras tienden a variar de una zona a otra.

Así, al golpear el material del ánodo con haces de rayos X en diferentes ángulos, se pudo confirmar que era uniformemente cristalino a lo largo de la superficie y en el interior.

Una vez hecho esto, el equipo utilizó una herramienta llamada espectroscopia de fotoelectrones de rayos X para evaluar el material del ánodo. Dispararon haces de rayos X al ánodo, expulsando electrones de él con una energía determinada.

La técnica reveló que los átomos de niobio ganan múltiples electrones cuando la célula se carga. Esto sugiere que el ánodo tiene una gran capacidad de almacenamiento.

"Es muy difícil fabricar el pentóxido de niobio cristalino de alto rendimiento con los métodos de síntesis tradicionales, como los que someten a los materiales al calor y la presión", dice el experto.

"El método de síntesis no convencional utilizado con éxito en este estudio -cargar y descargar una célula de batería- podría aplicarse para fabricar otros materiales de batería innovadores. Incluso podría servir para fabricar nuevos materiales en otros campos, como los semiconductores y los catalizadores", completó Liu.