La formación espontánea de estructuras huecas a nanoescala podría aumentar el almacenamiento de baterías

Una propiedad inesperada de los cristales de antimonio a escala nanométrica - la formación espontánea de estructuras huecas - podría ayudar a dar a la próxima generación de baterías de iones de litio una mayor densidad de energía sin reducir la vida útil de la batería. Las estructuras reversiblemente huecas podrían permitir a las baterías de iones de litio contener más energía y por lo tanto proporcionar más potencia entre las cargas.

El flujo de iones de litio dentro y fuera de los ánodos de las baterías de aleación ha sido durante mucho tiempo un factor limitante en cuanto a la cantidad de energía que las baterías podrían contener usando materiales convencionales. Demasiado flujo de iones hace que los materiales de los ánodos se hinchen y luego se encogen durante los ciclos de carga y descarga, causando una degradación mecánica que acorta la vida de la batería. Para abordar ese problema, los investigadores han desarrollado previamente nanopartículas huecas de "cáscara de yema" que se adaptan al cambio de volumen causado por el flujo de iones, pero su fabricación ha sido compleja y costosa.

Ahora, un equipo de investigación ha descubierto que las partículas mil veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano forman espontáneamente estructuras huecas durante el ciclo de carga-descarga sin cambiar de tamaño, permitiendo un mayor flujo de iones sin dañar los ánodos.

"La ingeniería intencional de nanomateriales huecos se ha venido realizando desde hace tiempo, y es un enfoque prometedor para mejorar la vida útil y la estabilidad de las baterías con alta densidad de energía", dijo Matthew McDowell, profesor adjunto de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "El problema ha sido que sintetizar directamente estas nanoestructuras huecas a las grandes escalas necesarias para las aplicaciones comerciales es difícil y costoso. Nuestro descubrimiento podría ofrecer un proceso más fácil y racionalizado que podría conducir a un mejor rendimiento de forma similar a las estructuras huecas diseñadas intencionadamente".

Los investigadores hicieron su descubrimiento utilizando un microscopio electrónico de alta resolución que les permitió visualizar directamente las reacciones de las baterías cuando se producen a nanoescala. "Este es un tipo de experimento complicado, pero si se tiene paciencia y se hacen bien los experimentos, se pueden aprender cosas realmente importantes sobre cómo se comportan los materiales en las baterías", dijo McDowell.

El equipo, que incluía investigadores del ETH Zürich y del Oak Ridge National Laboratory, también utilizó el modelado para crear un marco teórico para entender por qué las nanopartículas se ahuecan espontáneamente - en lugar de encogerse - durante la extracción de litio de la batería.

La capacidad de formar y rellenar reversiblemente las partículas huecas durante el ciclo de la batería sólo ocurre en nanocristales de antimonio recubiertos de óxido que tienen menos de aproximadamente 30 nanómetros de diámetro. El equipo de investigación encontró que el comportamiento surge de una capa de óxido nativo resistente que permite la expansión inicial durante la litiación - flujo de iones en el ánodo - pero evita mecánicamente la contracción a medida que el antimonio forma vacíos durante la remoción de los iones, un proceso conocido como deliteración.

El hallazgo fue un poco sorprendente porque el trabajo anterior sobre materiales relacionados se había realizado en partículas más grandes, que se expanden y encogen en lugar de formar estructuras huecas. "Cuando observamos por primera vez el distintivo comportamiento hueco, fue muy emocionante e inmediatamente supimos que esto podría tener importantes implicaciones para el rendimiento de la batería", dijo McDowell.

El antimonio es relativamente caro y no se utiliza actualmente en los electrodos de las baterías comerciales. Pero McDowell cree que el ahuecamiento espontáneo también puede ocurrir en materiales relacionados menos costosos como el estaño. Los próximos pasos incluirían probar otros materiales y trazar un camino hacia la ampliación comercial.

"Sería interesante probar otros materiales para ver si se transforman de acuerdo a un mecanismo de ahuecamiento similar", dijo. "Esto podría ampliar la gama de materiales disponibles para su uso en baterías. Las pequeñas baterías de prueba que fabricamos mostraron un rendimiento prometedor de carga y descarga, por lo que nos gustaría evaluar los materiales en baterías más grandes".

Aunque pueden ser costosos, los nanocristales de antimonio autoaislantes tienen otra propiedad interesante: también podrían utilizarse en baterías de iones de sodio y de potasio, sistemas emergentes para los que se debe investigar mucho más.

"Este trabajo avanza nuestra comprensión de cómo este tipo de material evoluciona dentro de las baterías", dijo McDowell. "Esta información será crítica para implementar el material o los materiales relacionados en la próxima generación de baterías de iones de litio, que podrán almacenar más energía y ser tan duraderas como las baterías que tenemos hoy en día".