Uno de los retos más importantes a los que nos enfrentamos hoy en día es dar respuesta a los requisitos que el mercado tiene con respecto a los sistemas de almacenamiento de energía. En este contexto de una transición energética inminente, los usuarios exigen que los dispositivos sean eficientes, baratos y sostenibles. CIC energiGUNE, como centro de investigación en almacenamiento de energía, trabaja en cumplir con todos esos requisitos, y lo hace partiendo del punto de vista más fundamental: desde la mejora de los materiales que componen esos dispositivos. Es por ello por lo que, apostar por tecnologías que nos ayuden a entender el comportamiento de los materiales como es el caso de los rayos X, resulta vital para poder mejorar sus propiedades en su posterior aplicación como sistemas de almacenamiento de energía.

Materiales sólidos amorfos y cristalinos

Tres son los estados de la materia más comunes con los que todo el mundo está familiarizado: sólido, líquido y gas. Mientras que en el líquido y el gas los átomos (o moléculas) tienen total libertad de movimiento, en los sólidos cada átomo ocupa una posición específica y su movilidad es más limitada. Cuando estos átomos están dispuestos en el espacio de forma desordenada (como podemos observar en la imagen de más abajo) se denomina sólido amorfo, mientras que, cuando tienen un orden concreto y reproducen un patrón, se les denomina sólidos cristalinos o cristales. Paradójicamente, lo que comúnmente se conoce como un cristal, como en el caso de una ventana o una botella (aunque la palabra correcta sería vidrio), tienen una estructura desordenada y son, por lo tanto, materiales amorfos.

Si alguna vez has mirado a las baldosas mientras caminabas por la calle, habrás visto cómo se repiten los patrones y cómo se consigue este efecto repitiendo una única baldosa de manera infinita. Cuando hablamos de una estructura cristalina, los cristalógrafos usamos la celda unidad para entender la estructura del material. Y extrapolándolo, de nuevo, al ejemplo, la baldosa se correspondería con esa celda unidad. Es decir, que la celda unidad es la unidad más pequeña que, si se repite en todas las direcciones, genera la estructura del material. En la imagen podemos ver la celda unidad de la estructura cristalina como un rombo rojo y vemos que se reproduce en todas las direcciones (rombos adyacentes con líneas intermitentes).

Los rayos X nos pueden dar cierta información relevante sobre los sólidos amorfos. De hecho, CIC energiGUNE tiene entre sus equipos un SAXS (de sus siglas en inglés, difractómetro de rayos X de ángulo reducido) que se utiliza, entre otras, cosas para conocer el orden a corto alcance o la porosidad de compuestos amorfos o poco cristalinos. En cualquier caso, donde son realmente relevantes es en la caracterización de materiales ordenados. Es más, la difracción de rayos X es un sistema rutinario para caracterizar materiales en todo el mundo ya que se utilizan para determinar la estructura cristalina de los sólidos extrayendo información sobre cómo están ordenados los átomos en los sólidos con una gran precisión.

Pero ¿cómo son los rayos X capaces de darnos dicha información?

Max Von Laue predijo que, si los átomos están ordenados regularmente en un cristal, al irradiar una muestra con un haz de rayos X algunos rayos difractarían. Y no se equivocaba porque esta teoría quedo demostrada en 1912 por Paul Knipping, Walter Friedrich y el propio Max Von Laue. Por su parte, William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg estudiaron esta difracción y desarrollaron la ley de Bragg, que describe una serie de condiciones en las que se da la difracción y gracias a la cual somos capaces de correlacionar el ángulo con el que los rayos X difractan con las posiciones de los átomos dentro de la estructura.

Generalmente, los rayos difractados al exponer un material a un haz de rayos X generan un patrón de difracción, que consiste en una serie de picos con diferentes intensidades y formas, tal y como aparece en la siguiente imagen. Utilizando complejas operaciones matemáticas que se llevan a cabo con softwares específicos como el FullProf, es posible conseguir información muy relevante de la estructura del material. A muy grandes rasgos, la posición de los picos viene dada por el tamaño de la celda unidad, la intensidad de éstos está condicionada por la naturaleza de los átomos y su posición dentro de esta celda, mientras que el perfil del pico da información sobre el tamaño de los cristalinos y otras consideraciones como los defectos. La importancia de los defectos en materiales cristalinos y cómo el software FAULTS nos ayuda a describirlos ya ha sido recogido en un artículo anterior escrito por la doctora Marine Reynaud.

Difracción de rayos X operando

Una técnica de caracterización que está muy en auge dada su gran utilidad es la difracción de rayos X operando. Esta técnica consiste en tomar medidas de rayos X al mismo tiempo que se somete al material a un uso particular. En el caso de materiales para baterías, estas medidas se hacen mientras las cargamos y descargamos. De esta forma, podemos observar qué le está pasando al material en cada momento y esto nos ayuda a saber cómo se comporta la batería durante su uso, algo esencial para poder mejorarlas.

Además, dado que la velocidad en la adquisición de los datos es de vital importancia, los rayos X de alta intensidad son muy convenientes (cuanto mayor intensidad tienen, menos tiempo hace falta para conseguir datos de calidad), por lo que es muy común realizar estas medidas en sincrotrones como el ALBA en Barcelona o el ESRF en Grenoble, que son instalaciones científicas donde se generan rayos X de intensidades sustancialmente mayores que en laboratorios convencionales.

En CIC energiGUNE, la plataforma de difracción de rayos X está compuesta por tres equipos de última generación que permiten cubrir el análisis de una gama muy amplia de longitudes, desde la red cristalina atómica hasta la información morfológica a escala nanométrica. Además, colaboramos asiduamente con científicos del ALBA y de otros sincrotrones y hemos desarrollado una celda especial para hacer medidas operando tanto en sincrotrón como en aparatos de rayos X convencionales.

Como hemos visto, la difracción de rayos X es una técnica de caracterización ideal para conseguir una gran cantidad de información estructural totalmente necesaria para el desarrollo de materiales avanzados. Es por eso por lo que en el CIC energiGUNE se cuenta con un equipo de expertos en difracción que puede ayudar a mejorar los materiales con los que mantenernos a la vanguardia de la investigación, además de prestar servicio y dar soporte a aquellos centros, tanto académicos como industriales, que así lo necesiten.