El estudio identifica umbrales de dosis de radiación y propone nuevas estrategias para mitigar los efectos inducidos por el haz, a fin de garantizar una caracterización operando de las baterías más precisa.

El almacenamiento eficiente de energía es crucial para lograr un futuro de energía limpia, ya que las baterías a gran escala permitirán almacenar y distribuir fuentes de energía renovable como la solar y la eólica. Los esfuerzos globales para optimizar el rendimiento de las baterías incluyen el desarrollo de nuevos materiales, que a menudo se caracterizan mediante técnicas operando basadas en luz de sincrotrón. Estas mediciones en tiempo real examinan el rendimiento de la batería mientras se carga y descarga. Sin embargo, el posible impacto de los haces de rayos X de alta intensidad sobre los materiales en estudio no se había entendido en profundidad hasta ahora, lo que generaba preocupación sobre la precisión de los resultados obtenidos con estas poderosas técnicas.

Un nuevo estudio, publicado en Chemistry of Materials, arroja luz sobre este tema al investigar sistemáticamente cómo la radiación de sincrotrón afecta a dos materiales de electrodos de baterías basados en litio muy utilizados: LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O2 (NMC111) y LiFePO₄ (LFP). La investigación revela que, en estos experimentos, los haces de rayos X producidos en sincrotrones pueden alterar la actividad electroquímica de estos materiales y, en casos extremos, esto podría llevar a conclusiones incorrectas sobre el rendimiento de los mismos.

Un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), del Centro de Investigación Cooperativa en Energías Alternativas (CIC energiGUNE), del Basque Research and Technology Alliance (BRTA) y del Sincrotrón ALBA han estudiado el comportamiento electroquímico de NMC111 y LFP —dos componentes clave de las baterías comerciales de iones de litio— bajo los rayos X. Utilizando las técnicas de difracción de rayos X (XRD) y la espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) en las líneas de luz MSPD y NOTOS de ALBA, observaron cómo los materiales reaccionaban a diferentes intensidades de radiación durante los ciclos de carga y descarga.

Los resultados mostraron que a dosis altas, la luz de sincrotrón causaba una inhibición de la reactividad electroquímica en las áreas irradiadas. En otras palabras, el haz de rayos X interfería con el funcionamiento normal del material de la batería, ralentizando o deteniendo las reacciones químicas esperadas. Se descubrió que los efectos dependían de la dosis, siendo las dosis más altas las que provocaban una inhibición más significativa. Lo importante es que el estudio demostró que estos efectos eran reversibles. Una vez que el haz se movía a otra área o se reducía su intensidad, los materiales volvían a su actividad normal. Esto sugiere que los materiales no sufrían daños permanentes por el haz, sino que su actividad se “pausaba” temporalmente debido a la exposición a los rayos X.

Estos hallazgos corroboran en mediciones operando con luz de sincrotrón los esperados efectos inducidos por el haz. No obstante, esta investigación sistemática también ha permitido al grupo de investigación proponer varias estrategias para mitigarlos. Por ejemplo, reducir la intensidad del haz utilizando atenuadores, como láminas de aluminio, para disminuir el flujo de fotones que alcanza la muestra. También descubrieron que los electrodos de baterías más delgados eran menos afectados por el haz, lo que sugiere que el grosor de los materiales estudiados influye en su tolerancia a la radiación. Además, observaron que controlar el tiempo de exposición e introducir períodos de descanso entre las mediciones podría ayudar a prevenir la acumulación de efectos del haz.

Este estudio, el primero en utilizar la línea de luz NOTOS para avanzar en la investigación de baterías, no solo proporcionó el primer análisis sistemático de los efectos inducidos por el haz de luz de sincrotrón en el estudio de materiales en condiciones de trabajo reales, sino que también tiene implicaciones más amplias para mejorar la precisión de las técnicas de caracterización basadas en sincrotrón en muchos campos de la ciencia de materiales. A medida que los científicos trabajan para desarrollar nuevos materiales de baterías más eficientes, especialmente para aplicaciones como vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable, los especialistas en sincrotrón de todo el mundo seguirán refinando las técnicas de rayos X de alta brillantez para proporcionar datos precisos y en tiempo real que permitan comprender los complejos procesos químicos que ocurren durante el funcionamiento de las baterías.

"El uso de la luz de sincrotrón permite observar procesos complejos y dinámicos, lo que la convierte en una herramienta esencial para el avance de la investigación en baterías. El potencial de las técnicas operando de XAS y XRD basadas en sincrotrón para caracterizar los materiales de las baterías durante los ciclos, y así obtener una mejor comprensión de los procesos electroquímicos en curso, está atrayendo un interés creciente por parte de la comunidad científica. Sin embargo, al realizar experimentos con luz de sincrotrón, es necesario considerar los posibles efectos inducidos por el haz, que pueden conducir a resultados erróneos. Detectar estos efectos y desarrollar estrategias de mitigación para minimizarlos es crucial", dice Carlos Escudero, científico de línea en la línea de luz NOTOS y uno de los autores de este trabajo.

Representación esquemática de la interacción entre un haz de rayos X y el material analizado durante las mediciones operando de XRD/XAS, que ilustra una supresión completa de la actividad electroquímica en el área expuesta debido a una alta dosis de radiación.