A medida que la demanda de teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y energía renovable continúa aumentando, los científicos están buscando formas de mejorar las baterías de iones de litio: el tipo más común de batería que se encuentra en la electrónica doméstica y una solución prometedora para la energía a escala de redalmacenamiento. El aumento de la densidad de energía de las baterías de iones de litio podría facilitar el desarrollo de tecnologías avanzadas con baterías de larga duración, así como el uso generalizado de la energía eólica y solar. Ahora, los investigadores han logrado un progreso significativo hacia el logro de ese objetivo.
Una colaboración dirigida por científicos de la Universidad de Maryland UMD, el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Han desarrollado y estudiado un nuevo material de cátodo que podría triplicar la densidad energética del litio-ion electrodos de batería. Su investigación fue publicada el 13 de junio en Comunicaciones de la naturaleza .
"Las baterías de iones de litio consisten en un ánodo y un cátodo", dijo Xiulin Fan, científico de UMD y uno de los autores principales del artículo. "En comparación con la gran capacidad de los ánodos de grafito comerciales utilizados en iones de litiobaterías, la capacidad de los cátodos es mucho más limitada. Los materiales catódicos son siempre el cuello de botella para mejorar aún más la densidad de energía de las baterías de iones de litio ".
Los científicos de la UMD sintetizaron un nuevo material catódico, una forma modificada y modificada con ingeniería de trifluoruro de hierro FeF3, que se compone de elementos rentables y ambientalmente benignos: hierro y flúor. Los investigadores han estado interesados en utilizar compuestos químicos como FeF3en baterías de iones de litio porque ofrecen capacidades inherentemente más altas que los materiales catódicos tradicionales.
"Los materiales que normalmente se usan en las baterías de iones de litio se basan en la química de intercalación", dijo Enyuan Hu, químico de Brookhaven y uno de los autores principales del artículo. "Este tipo de reacción química es muy eficiente; sin embargo, essolo transfiere un solo electrón, por lo que la capacidad del cátodo es limitada. Algunos compuestos como FeF3 son capaces de transferir múltiples electrones a través de un mecanismo de reacción más complejo, llamado reacción de conversión ".
A pesar del potencial de FeF3 para aumentar la capacidad del cátodo, el compuesto históricamente no ha funcionado bien en baterías de iones de litio debido a tres complicaciones con su reacción de conversión: poca eficiencia energética histéresis, una velocidad de reacción lenta y reacciones secundarias que pueden causar una pobreciclismo de vida. Para superar estos desafíos, los científicos agregaron átomos de cobalto y oxígeno a los nanorods de FeF3 a través de un proceso llamado sustitución química. Esto permitió a los científicos manipular la vía de reacción y hacerla más "reversible".
"Cuando se insertan iones de litio en FeF3, el material se convierte en hierro y fluoruro de litio", dijo Sooyeon Hwang, coautor del artículo y científico del Centro de Nanomateriales Funcionales CFN de Brookhaven. "la reacción no es completamente reversible. Después de sustituir con cobalto y oxígeno, la estructura principal del material del cátodo se mantiene mejor y la reacción se vuelve más reversible ".
Para investigar la vía de reacción, los científicos realizaron múltiples experimentos en CFN y National Synchrotron Light Source II NSLS-II, dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven.
Primero en CFN, los investigadores utilizaron un potente haz de electrones para observar los nanorods de FeF3 a una resolución de 0.1 nanómetros, una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión TEM. El experimento TEM permitió a los investigadores determinar el tamaño exacto delas nanopartículas en la estructura del cátodo y analizan cómo la estructura cambió entre las diferentes fases del proceso de carga y descarga. Vieron una velocidad de reacción más rápida para los nanorods sustituidos.
"TEM es una herramienta poderosa para caracterizar materiales a escalas de longitud muy pequeñas, y también es capaz de investigar el proceso de reacción en tiempo real", dijo Dong Su, científico de CFN y coautor del estudio."Sin embargo, solo podemos ver un área muy limitada de la muestra usando TEM. Necesitábamos confiar en las técnicas de sincrotrón en NSLS-II para comprender cómo funciona toda la batería".
En la línea de rayos de difracción de polvo de rayos X XPD de NSLS-II, los científicos dirigieron rayos X ultrabrillantes a través del material del cátodo. Al analizar cómo se dispersó la luz, los científicos pudieron "ver" información adicional sobre la estructura del material.
"En XPD, realizamos mediciones de la función de distribución de pares PDF, que son capaces de detectar pedidos locales de hierro en un gran volumen", dijo Jianming Bai, coautor del artículo y científico de NSLS-II ".El análisis PDF en los cátodos descargados reveló claramente que la sustitución química promueve la reversibilidad electroquímica ".
La combinación de técnicas de imagen y microscopía altamente avanzadas en CFN y NSLS-II fue un paso crítico para evaluar la funcionalidad del material del cátodo.
"También realizamos enfoques computacionales avanzados basados en la teoría funcional de la densidad para descifrar el mecanismo de reacción a escala atómica", dijo Xiao Ji, científico de la UMD y coautor del artículo. "Este enfoque reveló que la sustitución química cambióreacción a un estado altamente reversible al reducir el tamaño de partícula del hierro y estabilizar la fase de sal de roca ". Los científicos de la UMD dicen que esta estrategia de investigación podría aplicarse a otros materiales de conversión de alta energía, y futuros estudios pueden utilizar el enfoque para mejorar otros sistemas de baterías.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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