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Un descubrimiento fundamental y una nueva técnica podrían conducir a baterías recargables mejores y más seguras.
El UCLALos investigadores han hecho un descubrimiento innovador que podría mejorar la seguridad y la eficiencia de las baterías de litio-metal.Los investigadores descubrieron que los átomos de litio forman una forma única de 12 ladosEsta innovación podría revolucionar potencialmente la tecnología de las baterías de litio, mejorando la seguridad y el rendimiento.
Las baterías de iones de litio recargables alimentan teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía solar y eólica, entre otras tecnologías.
Descienden de otra tecnología, la batería de litio-metal, que no ha sido desarrollada ni adoptada tan ampliamente.Mientras que las baterías de litio-metal tienen el potencial de contener aproximadamente el doble de energía que las baterías de iones de litio, también presentan un riesgo mucho mayor de incendiarse o incluso explotar.
Investigación revolucionaria sobre las baterías de litio y metal
Ahora, un estudio realizado por miembros del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA revela un descubrimiento fundamental que podría conducir a baterías de litio metálico más seguras que superan a las baterías de iones de litio actuales.La investigación fue publicada el 2 de agosto en la revistaNaturaleza.
El litio metálico reacciona tan fácilmente con sustancias químicas que, en condiciones normales, la corrosión se forma casi inmediatamente mientras el metal se coloca en una superficie como un electrodo.Pero los investigadores de la UCLA desarrollaron una técnica que previene esa corrosión y mostraron que, en su ausencia, los átomos de litio se reúnen en una forma sorprendente el dodecaedro rómbico, una figura de 12 lados similar a los dados utilizados en juegos de rol como Dungeons and Dragons.
Comprender los aspectos estructurales de las baterías de litio-metal
"Hay miles de trabajos sobre el metal de litio, y la mayoría de las descripciones de la estructura son cualitativas, como "chunky" o "column-like", dijo Yuzhang Li, el autor correspondiente del estudio,profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA y miembro del CNSI¢Fue sorprendente para nosotros descubrir que cuando evitamos la corrosión de la superficie, en lugar de estas formas mal definidas,Vimos un poliedro singular que coincide con las predicciones teóricas basadas en la estructura cristalina del metal.En última instancia, este estudio nos permite revisar nuestra comprensión de las baterías de litio-metal.
Contraste entre las baterías de iones de litio y las de metal
En pequeñas escalas, una batería de iones de litio almacena átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo.una batería de litio-metal en su lugar recubre el electrodo con litio metálicoEso empaca 10 veces más litio en el mismo espacio en comparación con las baterías de iones de litio, lo que explica el aumento tanto en el rendimiento como en el peligro.
El proceso para colocar el revestimiento de litio se basa en una técnica de más de 200 años de antigüedad que emplea electricidad y soluciones de sales llamadas electrolitos.el litio forma filamentos microscópicos ramificados con picos sobresalientesEn una batería, si dos de esos picos se cruzan, puede causar un cortocircuito que podría conducir a una explosión.
Implicaciones del descubrimiento sobre la seguridad y el rendimiento de las baterías
La revelación de la verdadera forma del litio, es decir, en ausencia de corrosión, sugiere que el riesgo de explosión de las baterías de litio-metal puede reducirse.porque los átomos se acumulan en una forma ordenada en lugar de uno que puede cruzarseEl descubrimiento también podría tener implicaciones sustanciales para la tecnología energética de alto rendimiento.
Los científicos e ingenieros han realizado más de dos décadas de investigación sobre la síntesis de metales como el oro, el platino y la plata en formas como nanocubos, nanosferas y nanorodos.Li dijoAhora que conocemos la forma del litio, la pregunta es: ¿Podemos sintonizarlo para que forme cubos, que se puedan empaquetar densamente para aumentar la seguridad y el rendimiento de las baterías?
Reimaginando el proceso de deposición de litio
Hasta ahora, la opinión predominante había sido que la elección de electrolitos en solución determina la forma que el litio forma en una superficie, ya sea que la estructura se asemeje a trozos o columnas.Los investigadores de la UCLA tenían una idea diferente.
"Queríamos ver si podíamos depositar litio tan rápidamente que superáramos la reacción que causa la película de corrosión", dijo el estudiante de doctorado de la UCLA Xintong Yuan, primer autor del estudio.Podríamos ver potencialmente cómo el litio quiere crecer en ausencia de esa película.
Refinamiento de la técnica de deposición de litio
Los investigadores desarrollaron una nueva técnica para depositar litio más rápido que las formas de corrosión. They ran current through a much smaller electrode in order to push electricity out faster — much like the way that partially blocking the nozzle of a garden hose causes water to shoot out more forcefully.
Sin embargo, se requería un equilibrio, ya que acelerar demasiado el proceso daría lugar a las mismas estructuras espinosas que causan cortocircuitos;El equipo resolvió ese problema ajustando la forma de su pequeño electrodo.
Colocaron litio en superficies usando cuatro electrolitos diferentes, comparando los resultados entre una técnica estándar y su nuevo método.el litio formó cuatro formas microscópicas distintasSin embargo, con su proceso libre de corrosión, encontraron que el litio formaba dodecaedros minúsculos no más grandes de 2 millonésimas de metro,o aproximadamente la longitud promedio de una sola bacteria en los cuatro casos.
Desentrañar la forma del litio con cryo-EM
Los investigadores pudieron ver la forma del litio gracias a una técnica de imagen llamada microscopía crioletrónica, o criomecánica.que transmite electrones a través de muestras congeladas para mostrar detalles hasta el nivel atómico mientras inhibe el daño a las muestras.
El uso de cryo-EM se ha vuelto omnipresente en las biociencias para determinar las estructuras de proteínas y virus.
En primer lugar, cuando Li era un estudiante de posgrado, demostró que el cryo-EM se puede utilizar para analizar el litio, que se desmorona cuando se expone a un haz de electrones a temperatura ambiente.(Su estudio fue publicado en 2017 en la revista ScienceEn segundo lugar, el equipo realizó experimentos en el Centro de Imagen Electrónica para Nanomáquinas del CNSI.que es el hogar de varios instrumentos de cryo-EM que han sido personalizados para acomodar los tipos de muestras utilizadas en la investigación de materiales.