Un raro metal vítreo descubierto durante la búsqueda para mejorar el rendimiento de la batería
Los científicos de materiales hicieron un asombroso descubrimiento que podría abrir la puerta a mejores baterías, catalizadores más rápidos y otros saltos de la ciencia de los materiales.
Los científicos del Laboratorio Nacional de Idaho y de la Universidad de California en San Diego examinaron las primeras etapas de la recarga de litio y descubrieron que la carga lenta y de baja energía hace que los electrodos recojan átomos de una manera desorganizada que mejora el comportamiento de carga. Este litio "vidrioso" no cristalino nunca había sido observado, y crear tales metales amorfos ha sido tradicionalmente extremadamente difícil.
Una nueva investigación describe la evolución de los átomos de litio nanoestructurales (azul) que se depositan en un electrodo (amarillo) durante la operación de carga de la batería.
Idaho National Laboratory
Los hallazgos sugieren estrategias para afinar los enfoques de recarga para aumentar la vida útil de las baterías y, lo que es más intrigante, para fabricar metales vidriosos para otras aplicaciones.
El metal de litio es el ánodo preferido para las baterías recargables de alta energía. Sin embargo, el proceso de recarga (el depósito de átomos de litio en la superficie del ánodo) no se comprende bien a nivel atómico. La forma en que los átomos de litio se depositan en el ánodo puede variar de un ciclo de recarga a otro, lo que provoca una recarga errática y una reducción de la vida de la batería.
El equipo de INL/UCSD se preguntó si los patrones de recarga fueron influenciados por la primera congregación de los primeros átomos, un proceso conocido como nucleación.
"Esa nucleación inicial puede afectar al rendimiento, la seguridad y la fiabilidad de la batería", dijo Gorakh Pawar, un científico del personal del INL y uno de los dos autores principales del trabajo.
Los investigadores combinaron imágenes y análisis de un poderoso microscopio de electrones con enfriamiento de nitrógeno líquido y modelado por computadora. El microscopio electrónico de estado criogénico les permitió ver la creación de "embriones" de metal de litio, y las simulaciones por computadora ayudaron a explicar lo que vieron.
En particular, descubrieron que ciertas condiciones creaban una forma menos estructurada de litio que era amorfa (como el vidrio) en lugar de cristalina (como el diamante).
"El poder de las imágenes criogénicas para descubrir nuevos fenómenos en la ciencia de los materiales se muestra en este trabajo", dijo Shirley Meng, quien dirigió el pionero trabajo de crio-microscopía de la UC San Diego. Los datos de imágenes y espectroscopia son a menudo enrevesados, dijo. "El verdadero trabajo en equipo nos permitió interpretar los datos experimentales con confianza porque el modelado computacional ayudó a descifrar la complejidad".
Nunca antes se habían observado metales elementales amorfos puros. Son extremadamente difíciles de producir, por lo que las mezclas de metales (aleaciones) se requieren típicamente para lograr una configuración "vítrea", que imparte poderosas propiedades materiales.
Durante la recarga, los embriones de litio vítreo tenían más probabilidades de permanecer amorfos durante el crecimiento. Mientras estudiaban qué condiciones favorecían la nucleación vítrea, el equipo se sorprendió de nuevo.
"Podemos hacer metal amorfo en condiciones muy suaves a una tasa de carga muy lenta", dijo Boryann Liaw, un becario de la dirección del INL y el INL dirige el trabajo. "Es bastante sorprendente."
Ese resultado fue contrario a la intuición porque los expertos asumieron que las lentas tasas de deposición permitirían a los átomos encontrar su camino hacia un litio ordenado y cristalino. Sin embargo, el trabajo de modelado explicaba cómo la cinética de reacción impulsa la formación vítrea. El equipo confirmó estos hallazgos creando formas vítreas de cuatro metales reactivos más que son atractivas para las aplicaciones de las baterías.
Los resultados de la investigación podrían ayudar a cumplir los objetivos del consorcio Battery500, una iniciativa del Departamento de Energía que financió la investigación. El consorcio tiene por objeto desarrollar baterías de vehículos eléctricos comercialmente viables con una energía específica a nivel de célula de 500 Wh/kg. Además, este nuevo entendimiento podría conducir a catalizadores metálicos más eficaces, revestimientos metálicos más fuertes y otras aplicaciones que podrían beneficiarse de los metales vítreos.
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.
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