04.09.2020 - University of Texas at Austin

Se ha resuelto un misterio de décadas de almacenamiento de baterías de iones de litio.

Se derribó la barrera para construir sistemas de almacenamiento de energía de batería ultrarrápidos

Durante años, los investigadores se han propuesto aprender más sobre un grupo de óxidos metálicos que se muestran prometedores como materiales clave para la próxima generación de baterías de iones de litio debido a su misteriosa capacidad de almacenar significativamente más energía de la que debería ser posible. Un equipo internacional de investigación, codirigido por la Universidad de Texas en Austin, ha descifrado el código de esta anomalía científica, derribando una barrera para construir sistemas de almacenamiento de energía de baterías ultrarrápidas.

El equipo descubrió que estos óxidos metálicos poseen formas únicas de almacenar energía más allá de los mecanismos clásicos de almacenamiento electroquímico. La investigación, publicada en Nature Materials, encontró varios tipos de compuestos metálicos con una capacidad de almacenamiento de energía hasta tres veces superior a la de los materiales comunes en las baterías de iones de litio disponibles hoy en día en el mercado.

Al decodificar este misterio, los investigadores están ayudando a desbloquear baterías con mayor capacidad de energía. Eso podría significar baterías más pequeñas y potentes capaces de entregar rápidamente cargas para todo, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos.

"Durante casi dos décadas, la comunidad investigadora ha estado perpleja por las capacidades anómalas de estos materiales más allá de sus límites teóricos", dijo Guihua Yu, profesor asociado del Departamento Walker de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería Cockrell y uno de los líderes del proyecto. "Este trabajo demuestra la primera evidencia experimental que muestra que la carga extra se almacena físicamente dentro de estos materiales a través de un mecanismo de almacenamiento de carga espacial".

Para demostrar este fenómeno, el equipo encontró una manera de monitorear y medir cómo los elementos cambian con el tiempo. Participaron en el proyecto investigadores de la UT, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Waterloo en Canadá, la Universidad de Shandong de China, la Universidad de Qingdao en China y la Academia China de Ciencias.

En el centro del descubrimiento se encuentran los óxidos de metales de transición, que son compuestos que incluyen oxígeno enlazado con metales de transición como el hierro, el níquel y el zinc. La energía puede ser almacenada dentro de los óxidos metálicos - a diferencia de los métodos típicos que ven a los iones de litio entrar y salir de estos materiales o convertir sus estructuras cristalinas para el almacenamiento de energía. Y los investigadores muestran que la capacidad de carga adicional también puede almacenarse en la superficie de las nanopartículas de hierro formadas durante una serie de procesos electroquímicos convencionales.

Una amplia gama de metales de transición pueden liberar esta capacidad extra, según la investigación, y comparten un hilo conductor: la capacidad de recoger una alta densidad de electrones. Estos materiales aún no están listos para el horario de máxima audiencia, dijo Yu, principalmente debido a la falta de conocimiento sobre ellos. Pero los investigadores dijeron que estos nuevos hallazgos deberían contribuir en gran medida a arrojar luz sobre el potencial de estos materiales.

La técnica clave empleada en este estudio, llamada magnetometría in situ, es un método de monitoreo magnético en tiempo real para investigar la evolución de la estructura electrónica interna de un material. Es capaz de cuantificar la capacidad de carga midiendo las variaciones del magnetismo. Esta técnica puede utilizarse para estudiar el almacenamiento de la carga a una escala muy pequeña que está más allá de las capacidades de muchas herramientas de caracterización convencionales.

"Los resultados más significativos se obtuvieron a partir de una técnica comúnmente utilizada por los físicos pero muy raramente en la comunidad de las baterías", dijo Yu. "Esta es una perfecta muestra de un hermoso matrimonio entre la física y la electroquímica".

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