07.02.2020 - Pacific Northwest National Laboratory

Los científicos aprenden más sobre las primeras horas de vida de una batería de iones de litio

La nueva tecnología permite una vista molecular a nanoescala de la estructura de la puerta de enlace auto-ensamblada dentro de

Las primeras horas de vida de una batería de iones de litio determinan en gran medida su rendimiento. En esos momentos, un conjunto de moléculas se auto-ensamblan en una estructura dentro de la batería que afectará a la batería en los años venideros.

Este componente, conocido como la interfase de electrolito sólido o SEI, tiene el trabajo crucial de bloquear algunas partículas mientras que permite que otras pasen, como un portero de taberna que rechaza a los indeseables mientras que permite la entrada de los brillantes. La estructura ha sido un enigma para los científicos que la han estudiado durante décadas. Los investigadores han utilizado múltiples técnicas para aprender más, pero nunca, hasta ahora, habían sido testigos de su creación a nivel molecular.

Conocer más sobre el SEI es un paso crucial en el camino para crear baterías de iones de litio más energéticas, duraderas y seguras.

El trabajo publicado en Nature Nanotechnology fue realizado por un equipo internacional de científicos dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de los Estados Unidos y del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos. Los autores correspondientes son Zihua Zhu, Chongmin Wang y Zhijie Xu del PNNL y Kang Xu del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos.

Por qué las baterías de iones de litio funcionan: el SEI

La interfase electrolítica sólida es una película muy delgada de material que no existe cuando se construye una batería. Sólo cuando la batería se carga por primera vez las moléculas se agregan y reaccionan electroquímicamente para formar la estructura, que actúa como una puerta que permite a los iones de litio pasar de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. Crucialmente, el SEI fuerza a los electrones a tomar un desvío, lo que mantiene la batería en funcionamiento y hace posible el almacenamiento de energía.

Gracias al SEI tenemos baterías de iones de litio para alimentar nuestros teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos.

Pero los científicos necesitan saber más sobre la estructura de este portal. ¿Qué factores separan a los glitterati de la chusma en una batería de iones de litio? ¿Qué químicos deben incluirse en el electrolito, y en qué concentraciones, para que las moléculas se formen en las estructuras SEI más útiles para que no absorban continuamente moléculas del electrolito, perjudicando el rendimiento de la batería?

Los científicos trabajan con una variedad de ingredientes, prediciendo cómo se combinarán para crear la mejor estructura. Pero sin más conocimiento sobre cómo se crea la interfase electrolítica sólida, los científicos son como chefs que hacen malabares con los ingredientes, trabajando con libros de cocina que sólo están parcialmente escritos.

Explorando las baterías de iones de litio con nueva tecnología

Para ayudar a los científicos a comprender mejor el SEI, el equipo utilizó la tecnología patentada del PNNL para analizar la estructura tal como fue creada. Los científicos utilizaron un enérgico haz de iones para hacer un túnel en un SEI recién formado en una batería operativa, enviando parte del material aerotransportado y capturándolo para su análisis, mientras se apoyaban en la tensión superficial para ayudar a contener el electrolito líquido. Luego el equipo analizó los componentes del SEI usando un espectrómetro de masas.

El enfoque patentado, conocido como espectrometría de masa de iones secundarios líquidos in situ o SIMS líquido, permitió al equipo obtener una visión sin precedentes de la SEI a medida que se formaba y sortear los problemas que presentaba una batería de iones de litio en funcionamiento. La tecnología fue creada por un equipo dirigido por Zhu, basándose en el trabajo previo de SIMS de su colega del PNNL Xiao-Ying Yu.

"Nuestra tecnología nos da una sólida comprensión científica de la actividad molecular en esta compleja estructura", dijo Zhu. "Los hallazgos podrían ayudar a otros a adaptar la química del electrolito y los electrodos para hacer mejores baterías".

Los investigadores del Ejército de los Estados Unidos y del PNNL colaboran

El equipo del PNNL se conectó con Kang Xu, un investigador del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE.UU. y un experto en electrolitos y el SEI, y juntos abordaron la cuestión.

Los científicos confirmaron lo que los investigadores sospechaban: que el SEI está compuesto de dos capas. Pero el equipo fue mucho más allá, especificando la composición química precisa de cada capa y determinando los pasos químicos que se dan en una batería para lograr la estructura.

El equipo encontró que una capa de la estructura, junto al ánodo, es delgada pero densa; esta es la capa que repele los electrones pero permite que los iones de litio pasen a través de ella. La capa exterior, justo al lado del electrolito, es más gruesa y media las interacciones entre el líquido y el resto del SEI. La capa interna es un poco más dura y la externa más líquida, un poco como la diferencia entre la avena mal cocida y la sobre cocida.

El papel del fluoruro de litio

Uno de los resultados del estudio es una mejor comprensión del papel del fluoruro de litio en el electrolito utilizado en las baterías de iones de litio. Varios investigadores, incluyendo a Kang Xu, han demostrado que las baterías con SEIs más ricas en fluoruro de litio funcionan mejor. El equipo mostró cómo el fluoruro de litio se convierte en parte de la capa interna del SEI, y los hallazgos ofrecen pistas sobre cómo incorporar más flúor en la estructura.

"Con esta técnica, no sólo se aprende qué moléculas están presentes, sino también cómo están estructuradas", dice Wang. "Esa es la belleza de esta tecnología".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Pacific Northwest National Laboratory

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