Los rayos X revelan una química difícil de alcanzar para mejorar las baterías de los vehículos eléctricos

Rayos X de alta energía para investigar la interfase sólido-electrolito, una capa química de las baterías clave para estabilizar los ánodos de metal de litio.

08.12.2022 - Estados Unidos

Investigadores de todo el mundo tienen la misión de aliviar un cuello de botella en la revolución de las energías limpias: las baterías. Desde los vehículos eléctricos hasta el almacenamiento de energía renovable a escala de red, las baterías están en el centro de las innovaciones ecológicas más cruciales de la sociedad, pero necesitan más energía para que estas tecnologías se generalicen y sean prácticas.

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Ahora, un equipo de científicos dirigido por químicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) ha desentrañado los complejos mecanismos químicos de un componente de la batería crucial para aumentar la densidad energética: la interfase. Su trabajo se publica en Nature Nanotechnology.

El consorcio Battery500 del DOE se centra en los ánodos de metal de litio

Muchos aparatos electrónicos, como los teléfonos inteligentes e incluso los vehículos eléctricos, utilizan actualmente baterías convencionales de iones de litio. Aunque las baterías de iones de litio se han generalizado por su alta eficiencia y larga vida útil, se enfrentan a retos en aplicaciones más exigentes, como la propulsión de vehículos eléctricos a larga distancia.

Para construir una batería mejor para vehículos eléctricos, investigadores de varios laboratorios nacionales y universidades patrocinadas por el DOE han formado un consorcio llamado Battery500. Dirigido por el PNNL, el consorcio se propone fabricar celdas de batería con una densidad energética de 500 vatios-hora por kilogramo, más del doble de la densidad energética de las baterías más modernas. Para ello, el equipo se centra en las baterías de metal de litio. Mientras que las baterías de iones de litio se basan en ánodos de grafito, estas baterías utilizan ánodos de metal de litio.

Los ánodos de metal de litio proporcionan una densidad energética mucho mayor que los de grafito, pero hay contrapartidas. Uno de los mayores retos a los que se enfrentan los científicos en la actualidad es encontrar una forma de estabilizar el ánodo a medida que la batería se carga y descarga.

En busca de ese método, los científicos del Laboratorio Brookhaven y la PNNL dirigieron un estudio en profundidad sobre la interfase sólido-electrolito de las baterías de litio metálico. La interfase es una capa química que se forma entre el ánodo y el electrolito cuando la batería se carga y descarga. Los científicos han aprendido que la interfase es la clave para estabilizar las baterías de litio metal, pero es una muestra muy sensible con una química enrevesada, lo que dificulta su estudio y, por tanto, su comprensión completa.

"La interfase influye en la ciclabilidad de toda la batería. Es un sistema muy importante, pero escurridizo", afirma Enyuan Hu, químico de Brookhaven que dirigió el estudio. "Muchas técnicas pueden dañar esta muestra pequeña y sensible, que además tiene fases cristalinas y amorfas".

La comunidad científica ha llevado a cabo numerosos estudios con diversas técnicas experimentales, como la criomicroscopía electrónica, para comprender mejor la interfase, pero el panorama dista mucho de ser claro y completo.

"Una comprensión exhaustiva de la interfase sienta las bases para construir una interfase eficaz", afirma Xia Cao, científico del PNNL que codirigió el estudio y dirigió el desarrollo del electrolito. "El Consorcio Battery500 fomenta mucho las colaboraciones. Hemos estado colaborando estrechamente con Brookhaven Lab en muchos proyectos científicos, especialmente en la comprensión de la interfase."

Para profundizar en la compleja y esquiva química de la interfase, el equipo recurrió a una herramienta única en su género llamada National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

La NSLS-II arroja luz sobre la química de la interfase

La NSLS-II es una instalación de la Oficina de Ciencia del DOE situada en el laboratorio de Brookhaven que genera rayos X ultrabrillantes para estudiar la composición de los materiales a escala atómica. Hu y sus colegas llevan muchos años aprovechando las avanzadas capacidades de la línea de difracción de polvos de rayos X (XPD) de NSLS-II para hacer nuevos descubrimientos en la química de las baterías. Basándose en sus éxitos anteriores, el equipo volvió a la XPD para recopilar sus hallazgos más precisos sobre la interfase.

"Ya habíamos descubierto anteriormente que los rayos X sincrotrón de alta energía no dañan la muestra de interfase", dijo Hu. "Esto es muy importante porque uno de los mayores retos a la hora de caracterizar la interfase es que las muestras son muy sensibles a otros tipos de radiación, incluidos los rayos X de baja energía. Así que en este trabajo aprovechamos dos técnicas que utilizan rayos X de alta energía, la difracción de rayos X y el análisis de la función de distribución de pares, para captar las químicas de las fases cristalina y amorfa en la interfase del ánodo de metal de litio."

Después de ciclar 50 veces una batería de metal de litio y recoger suficiente muestra de la interfase, el equipo desmontó la célula, raspó una pequeña cantidad de polvo de la interfase de la superficie del metal de litio y dirigió los rayos X de alta energía de XPD a la muestra para revelar su enrevesada química.

"XPD es una de las pocas líneas de luz del mundo capaz de llevar a cabo esta investigación", afirma Sanjit Ghose, científico jefe de la línea de luz de XPD y coautor del estudio. "La línea de luz proporcionó tres ventajas para este trabajo: una sección transversal de absorción pequeña, que daña menos la muestra; técnicas combinadas, difracción de rayos X para obtener la información de fase y función de distribución de pares para obtener información en el espacio real; y un haz de alta intensidad para proporcionar datos de calidad a partir de una muestra traza."

Esta combinación única de técnicas avanzadas de rayos X proporcionó al equipo un mapa químico detallado de los componentes de la interfase: sus orígenes, funcionalidades, interacciones y evoluciones.

"Nos centramos en tres componentes diferentes de la interfase", explica Sha Tan, postdoctorado de Brookhaven y primer autor del artículo. "En primer lugar, el hidruro de litio y su mecanismo de formación. Anteriormente descubrimos que el hidruro de litio existía en la interfase, y esta vez identificamos la fuente de hidrógeno".

En concreto, el equipo identificó que el hidróxido de litio, que puede encontrarse de forma nativa en el ánodo de metal de litio, es el probable contribuyente al hidruro de litio. Controlar la composición de este compuesto ayudará a los científicos a diseñar una interfase mejorada con el mayor rendimiento posible.

"En segundo lugar, estudiamos el fluoruro de litio, muy importante para el rendimiento electroquímico, y descubrimos que puede formarse a gran escala en electrolitos de baja concentración", explica Tan.

Anteriormente, los científicos creían que el fluoruro de litio sólo podía formarse en electrolitos de alta concentración, que dependen de sales caras. Así pues, el trabajo aporta pruebas de que los electrolitos de baja concentración, que son más rentables, pueden funcionar potencialmente bien en estos sistemas de baterías.

"En tercer lugar, analizamos el hidróxido de litio para saber cómo se consume durante el ciclo de la batería. Todos estos hallazgos son muy novedosos e importantes para comprender la interfase".

Combinados, estos hallazgos ayudan a arrojar luz sobre componentes de la interfase que antes se pasaban por alto y permitirán un diseño más preciso y controlable de la interfase para las baterías de litio metal.

En el futuro, el equipo seguirá aportando nuevos estudios al consorcio Battery500. Battery500 se encuentra actualmente en su segunda fase, que se prolongará hasta 2026.

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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