Si pudiera encogerse lo suficiente para un viaje fantástico a través de un electrodo de batería de litio, vería que el nivel de carga en cada escala es muy desigual.
Esto no es bueno para la salud de la batería. Los investigadores de la Universidad de Rice que reconocen el problema trabajaron con el Departamento de Energía para ver en gran detalle cómo las diversas partículas en un electrodo interactúan con el litio durante el uso.
Específicamente, el laboratorio de Rice del científico de materiales Ming Tang analizó las interacciones a escala nano y micro dentro de los cátodos de fosfato de hierro y litio a través del modelado y las imágenes ofrecidas por las capacidades de microscopía de rayos X de transmisión en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Laboratorio Nacional de Argonne.
Su artículo en la revista American Chemical Society Cartas de energía de ACS apoya las teorías que Tang y sus colegas formaron hace varios años que previeron cómo viaja el litio en el entorno dinámico dentro de un cátodo comercial típico.
Ser capaz de ver la carga y descarga de cátodos sellados en Brookhaven ofreció una prueba absoluta.
«Las baterías tienen muchos agregados de partículas que absorben y liberan litio, y queríamos saber qué sucede en sus superficies, qué tan uniforme es la reacción», dijo Tang, profesor asociado de ciencia de materiales y nanoingeniería. «En general, siempre queremos una reacción más uniforme para poder cargar la batería más rápido».
En las imágenes tomadas en el poderoso sincrotrón de rayos X de Brookhaven, los investigadores vieron que algunas regiones dentro del cátodo tenían una mejor absorción que otras. La capacidad de observar partículas individuales o agregadas en 3D mostró que, en lugar de reaccionar en toda su superficie, el litio favorecía regiones particulares sobre otras.
«Esto es muy diferente de la sabiduría convencional», dijo Tang. «La observación más interesante es que estas regiones de reacción tienen forma de filamentos unidimensionales que se extienden sobre la superficie de estas partículas agregadas. Era un poco extraño, pero coincidía con lo que vimos en nuestros modelos».
Tang dijo que los filamentos de litio se parecían a nanotubos gruesos y tenían varios cientos de nanómetros de ancho y varias micras de largo.
Dijo que el estrés entre los cristalitos desalineados en los aglomerados de partículas impide que el litio se inserte o extraiga uniformemente de la superficie del agregado porque eso generará una penalización de energía demasiado grande. En cambio, el litio se ve obligado a fluir dentro o fuera de los agregados en los «puntos calientes» que desarrollan la forma del filamento.
¿Qué significa esto para el rendimiento de la batería?
«Esto es algo malo», dijo Tang. «Debido a que el litio no puede entrar en el cátodo de manera uniforme, ralentiza la mecánica de intercalación.
«Lo que ofrece nuestro estudio son algunas formas potenciales de ayudar a que la inserción o extracción de litio sea más uniforme en estos agregados o partículas individuales», dijo. «Introducir algo de porosidad en los aglomerados de partículas podría sacrificar algo de densidad de energía, pero al mismo tiempo permitiría que el litio entre de manera más uniforme. Eso podría permitirle obtener más energía a una tasa de carga/descarga dada.
«Otra idea es que si de alguna manera podemos alinear la orientación de estas pequeñas partículas para que su expansión máxima sea perpendicular entre sí, se adaptarán mejor a la intercalación de litio», dijo.
Eso sería un desafío para los fabricantes de baterías, admitió.
«No tenemos suficiente experiencia en síntesis para saber cómo hacer que eso suceda», dijo Tang. «Lo que estamos proporcionando es un cebo. A ver si alguien muerde».
Fan Wang y Kaiqi Yang, ex alumnos graduados de Rice, son coautores principales del artículo. Los coautores son Mingyuan Ge, Jiajun Wang, Jun Wang, Xianghi Xiao y Wah-Keat Lee, todos del Laboratorio Nacional Brookhaven, Upton, Nueva York; y Linsen Li de la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
El Departamento de Energía, Ciencias Energéticas Básicas (DE-SC0019111) y la Fundación Nacional de Ciencias (CMMI-1929949) apoyaron la investigación.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de arroz. Original escrito por Mike Williams. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
