TEMAS:Tecnología de bateríaiones de litioUniversidad de California en Los Ángeles
El descubrimiento fundamental y la nueva técnica podrían conducir a baterías recargables mejores y más seguras.
Universidad de California en Los ÁngelesLos investigadores han hecho un descubrimiento innovador que podría mejorar la seguridad y la eficiencia de las baterías de metal de litio.Al prevenir la corrosión durante la deposición de litio, los investigadores descubrieron que los átomos de litio forman una forma única de 12 lados, lo que reduce el riesgo de explosiones.Esta innovación podría revolucionar potencialmente la tecnología de las baterías de litio y mejorar la seguridad y el rendimiento.
Las baterías recargables de iones de litio alimentan teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía solar y eólica, entre otras tecnologías.
Descienden de otra tecnología, la batería de metal de litio, que no se ha desarrollado ni adoptado tan ampliamente.Hay una razón para eso: si bien las baterías de metal de litio tienen el potencial de almacenar 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 baterías de metal de litio
Ahora, un estudio realizado por miembros del California NanoSystems Institute en UCLA revela un descubrimiento fundamental que podría conducir a baterías de metal de litio 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 los productos químicos que, en condiciones normales, la corrosión se forma casi inmediatamente mientras el metal se deposita sobre una superficie como un electrodo.Pero los investigadores de la UCLA desarrollaron una técnica que evita esa corrosión y demostraron que, en su ausencia, los átomos de litio se ensamblan en una forma sorprendente: el dodecaedro rómbico, una figura de 12 lados similar a los dados que se usan en juegos de rol como Dragones y mazmorras. .
Comprender los aspectos estructurales de las baterías de metal de litio
"Hay miles de artículos sobre el litio metálico, y la mayoría de las descripciones de la estructura son cualitativas, como 'grueso' o 'en forma de columna'", dijo Yuzhang Li, el autor correspondiente del estudio, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA y miembro de 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 cómo entendemos las baterías de metal de litio”.
Contraste de baterías de iones de litio y de metal de litio
A escalas diminutas, 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.Por el contrario, una batería de metal de litio recubre el electrodo con litio metálico.Eso contiene 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 que emplea electricidad y soluciones de sales llamadas electrolitos.A menudo, el litio forma filamentos ramificados microscópicos con puntas que sobresalen.En una batería, si dos de esos picos se entrecruzan, puede provocar un cortocircuito que podría provocar una explosión.
Implicaciones del descubrimiento en 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 metal de litio puede reducirse, porque los átomos se acumulan en forma ordenada en lugar de entrecruzarse.El descubrimiento también podría tener implicaciones sustanciales para la tecnología energética de alto rendimiento.
“Científicos e ingenieros han producido más de dos décadas de investigación sobre la síntesis de metales como el oro, el platino y la plata en formas como nanocubos, nanoesferas y nanobarras”, dijo Li."Ahora que conocemos la forma del litio, la pregunta es: ¿podemos ajustarlo para que forme cubos, que se pueden empaquetar densamente para aumentar tanto la seguridad como 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 forma el litio en una superficie, ya sea que la estructura se asemeje a trozos o columnas.Los investigadores de UCLA tenían una idea diferente.
“Queríamos ver si podíamos depositar litio tan rápido que superáramos la reacción que causa la película de corrosión”, dijo el estudiante de doctorado de UCLA Xintong Yuan, el primer autor del estudio."De esa manera, podríamos ver cómo quiere crecer el litio en ausencia de esa película".
Refinando la Técnica de Deposición de Litio
Los investigadores desarrollaron una nueva técnica para depositar litio más rápido que las formas de corrosión.Pasaron corriente a través de un electrodo mucho más pequeño para expulsar la electricidad más rápido, de forma muy similar a la forma en que el bloqueo parcial de la boquilla de una manguera de jardín hace que el agua salga disparada con más fuerza.
Sin embargo, se requería un equilibrio, porque acelerar demasiado el proceso conduciría a las mismas estructuras puntiagudas que causan los cortocircuitos;el equipo abordó 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.Con la corrosión, el litio formó cuatro formas microscópicas distintas.Sin embargo, con su proceso libre de corrosión, encontraron que el litio formaba dodecaedros minúsculos, no más grandes que 2 millonésimas de metro, o aproximadamente la longitud promedio de una sola bacteria, en los cuatro casos.
Desentrañando la forma del litio usando Cryo-EM
Los investigadores pudieron ver la forma del litio gracias a una técnica de imagen llamada microscopía crioelectrónica, o crio-EM, que emite electrones a través de muestras congeladas para mostrar detalles hasta el nivel atómico mientras inhibe el daño a las muestras.
Cryo-EM se ha vuelto omnipresente en las biociencias para determinar las estructuras de proteínas y virus.El uso de la ciencia de los materiales está creciendo y los investigadores de la UCLA tenían dos ventajas clave.
Primero, cuando Li era un estudiante graduado, demostró que la crio-EM se puede usar para analizar el litio, que se desmorona cuando se expone a un haz de electrones a temperatura ambiente.(Su estudio se publicó en 2017 en la revista Science). En segundo lugar, el equipo realizó experimentos en el Centro de imágenes de electrones para nanomáquinas de CNSI, que alberga varios instrumentos crio-EM que se han personalizado para adaptarse a los tipos de muestras utilizadas en la investigación de materiales. .