Las baterías de metal de litio podrían almacenar mucha más carga en un espacio determinado que las baterías de iones de litio de hoy en día, y ha comenzado la carrera para desarrollarlas para vehículos eléctricos, electrónicos y otros usos de próxima generación.
Pero uno de los obstáculos que se interponen en el camino es una batalla silenciosa entre dos de las partes de la batería. El líquido entre los electrodos de la batería, conocido como electrolito, corroe la superficie del ánodo de metal de litio, cubriéndolo con una fina capa de suciedad llamada interfase de electrolito sólido, o SEI.
Aunque se cree que la formación de SEI es inevitable, los investigadores esperan estabilizar y controlar el crecimiento de esta capa de una manera que maximice el rendimiento de la batería. Pero hasta ahora nunca han tenido una idea clara de cómo se ve el SEI cuando está saturado con electrolito, como lo estaría en una batería en funcionamiento.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han obtenido las primeras imágenes de alta resolución de esta capa en su estado natural regordete y blando. Este avance fue posible gracias a la microscopía electrónica criogénica, o cryo-EM, una tecnología revolucionaria que revela detalles tan pequeños como los átomos.
Los resultados, dijeron, sugieren que el electrolito correcto puede minimizar la hinchazón y mejorar el rendimiento de la batería, brindando a los científicos una nueva forma potencial de modificar y mejorar el diseño de la batería. También brindan a los investigadores una nueva herramienta para estudiar las baterías en sus entornos de trabajo cotidianos.
El equipo describió su trabajo en un artículo publicado en Ciencias hoy dia.
«No hay otras tecnologías que puedan observar esta interfaz entre el electrodo y el electrolito con una resolución tan alta», dijo Zewen Zhang, estudiante de doctorado de Stanford que dirigió los experimentos con SLAC y los profesores de Stanford Yi Cui y Wah Chiu. «Queríamos demostrar que podíamos obtener imágenes de la interfaz en estas escalas previamente inaccesibles y ver el estado nativo prístino de estos materiales tal como están en las baterías».
Cui agregó: «Encontramos que esta hinchazón es casi universal. Sus efectos no han sido muy apreciados por la comunidad de investigación de baterías antes, pero descubrimos que tiene un impacto significativo en el rendimiento de la batería».
Una herramienta ‘emocionante’ para la investigación energética
Este es el último de una serie de resultados innovadores en los últimos cinco años que muestran que la crio-EM, que se desarrolló como una herramienta para la biología, abre «oportunidades emocionantes» en la investigación energética, escribió el equipo en una revisión separada del campo publicada. en julio en Cuentas de investigación química.
Cryo-EM es una forma de microscopía electrónica, que utiliza electrones en lugar de luz para observar el mundo de lo muy pequeño. Al congelar instantáneamente sus muestras en un estado transparente y vítreo, los científicos pueden observar las máquinas celulares que llevan a cabo las funciones de la vida en su estado natural y con resolución atómica. Las mejoras recientes en crio-EM lo han transformado en un método muy buscado para revelar la estructura biológica con un detalle sin precedentes, y tres científicos recibieron el Premio Nobel de química 2017 por sus contribuciones pioneras a su desarrollo.
Inspirándose en muchas historias de éxito en la crio-EM biológica, Cui se asoció con Chiu para explorar si la crio-EM podría ser una herramienta tan útil para estudiar materiales relacionados con la energía como lo fue para estudiar sistemas vivos.
Una de las primeras cosas que observaron fue una de esas molestas capas SEI en un electrodo de batería. Publicaron las primeras imágenes a escala atómica de esta capa en 2017, junto con imágenes de crecimientos de alambre de litio en forma de dedos que pueden perforar la barrera entre las dos mitades de la batería y provocar cortocircuitos o incendios.
Pero para hacer esas imágenes tuvieron que sacar las partes de la batería del electrolito, de modo que el SEI se secó y se encogió. Lo que parecía en un estado húmedo dentro de una batería en funcionamiento era una incógnita.
Papel secante al rescate
Para capturar el SEI en su ambiente nativo empapado, los investigadores idearon una forma de hacer y congelar películas muy delgadas del electrolito líquido que contenía diminutos cables de metal de litio, que ofrecían una superficie para la corrosión y la formación de SEI.
Primero, insertaron una rejilla de metal utilizada para contener muestras crio-EM en una batería de celda de moneda. Cuando lo quitaron, delgadas películas de electrolito se adhirieron a pequeños agujeros circulares dentro de la rejilla, mantenidas en su lugar por la tensión superficial el tiempo suficiente para realizar los pasos restantes.
Sin embargo, esas películas todavía eran demasiado gruesas para que el haz de electrones penetrara y produjera imágenes nítidas. Entonces Chiu sugirió una solución: absorber el exceso de líquido con papel secante. La rejilla seca se sumergió inmediatamente en nitrógeno líquido para congelar las pequeñas películas en un estado vítreo que conservaba perfectamente el SEI. Todo esto se llevó a cabo en un sistema cerrado que protegía las películas de la exposición al aire.
Los resultados fueron dramáticos, dijo Zhang. En estos ambientes húmedos, los SEI absorbieron electrolitos y se hincharon hasta aproximadamente el doble de su espesor anterior.
Cuando el equipo repitió el proceso con media docena de otros electrolitos de diferentes composiciones químicas, encontraron que algunos producían capas SEI mucho más gruesas que otras, y que las capas que más se hinchaban estaban asociadas con el peor rendimiento de la batería.
«En este momento, esa conexión entre el comportamiento de expansión SEI y el rendimiento se aplica a los ánodos de metal de litio», dijo Zhang, «pero creemos que también debería aplicarse como regla general a otros ánodos metálicos».
El equipo también usó la punta superfina de un microscopio de fuerza atómica (AFM) para sondear las superficies de las capas SEI y verificar que eran más blandas en su estado húmedo e hinchado que en su estado seco.
En los años transcurridos desde que el artículo de 2017 reveló lo que la crio-EM puede hacer por los materiales energéticos, se ha utilizado para ampliar los materiales para las células solares y las moléculas en forma de jaula llamadas estructuras metalorgánicas que se pueden utilizar en pilas de combustible, catálisis y gas. almacenamiento.
En cuanto a los próximos pasos, los investigadores dicen que les gustaría encontrar una manera de obtener imágenes de estos materiales en 3D, y obtener imágenes de ellos mientras todavía están dentro de una batería en funcionamiento, para obtener la imagen más realista hasta el momento.
Yi Cui es director del Precourt Institute for Energy de Stanford e investigador del Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) en SLAC. Wah Chiu es codirector de las Instalaciones Cryo-EM de Stanford-SLAC, donde se llevó a cabo el trabajo de imágenes crio-EM para este estudio. Parte de este trabajo se realizó en las instalaciones compartidas de nanotecnología de Stanford (SNSF) y la instalación de nanofabricación de Stanford (SNF). La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE.
