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 las baterías. Las estructuras reversiblemente huecas podrían permitir que las baterías de iones de litio se mantenganmás energía y, por lo tanto, proporcionan más potencia entre 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 la cantidad de energía que las baterías podrían contener utilizando materiales convencionales. Demasiado flujo de iones hace que los materiales del ánodo se hinchen y luego se encojan durante los ciclos de carga y descarga, causandodegradación que acorta la vida útil de la batería. Para abordar este problema, los investigadores han desarrollado previamente nanopartículas huecas de "cascarón 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 descubrió que las partículas mil veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano forman espontáneamente estructuras huecas durante el ciclo de carga y descarga sin cambiar el tamaño, permitiendo un mayor flujo de iones sin dañar los ánodos. La investigación se informó en junio1 en el diario Nanotecnología de la naturaleza .
"La ingeniería intencional de nanomateriales huecos se ha realizado durante un 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 asistente en la Escuela de Mecánica George W. WoodruffIngeniería y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Instituto de Tecnología de Georgia. "El problema ha sido que sintetizar directamente estas nanoestructuras huecas a gran escala necesarias para aplicaciones comerciales es desafiante y costoso. Nuestro descubrimiento podría ofrecer un proceso más sencillo y racionalizado quepodría conducir a un rendimiento mejorado de una manera similar a las estructuras huecas diseñadas intencionalmente "
Los investigadores hicieron su descubrimiento utilizando un microscopio electrónico de alta resolución que les permitió visualizar directamente las reacciones de la batería a medida que ocurren a nanoescala. "Este es un tipo de experimento complicado, pero si usted es paciente y hace los experimentos correctamente, ustedpuede 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 Laboratorio Nacional Oak Ridge, también utilizó el modelado para crear un marco teórico para comprender 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 de manera reversible las partículas huecas durante el ciclo de la batería ocurre solo en nanocristales de antimonio recubiertos de óxido que tienen menos de aproximadamente 30 nanómetros de diámetro. El equipo de investigación descubrió que el comportamiento surge de una capa de óxido nativo resistente que permite la inicialexpansión durante la litiación flujo de iones hacia el ánodo, pero evita mecánicamente la contracción a medida que el antimonio forma huecos durante la eliminación de iones, un proceso conocido como delitiación.
El hallazgo fue un poco sorprendente porque el trabajo anterior sobre materiales relacionados se había realizado en partículas más grandes, que se expanden y se contraen en lugar de formar estructuras huecas ". Cuando observamos por primera vez el comportamiento hueco distintivo, fue muy emocionante e inmediatamentesabía que esto podría tener implicaciones importantes para el rendimiento de la batería ", dijo McDowell.
El antimonio es relativamente costoso y no se usa actualmente en electrodos de batería comerciales. Pero McDowell cree que el vaciado espontáneo también puede ocurrir en materiales relacionados menos costosos como el estaño. Los siguientes pasos incluirían probar otros materiales y mapear un camino hacia la ampliación comercial.
"Sería interesante probar otros materiales para ver si se transforman de acuerdo con un mecanismo de vaciado similar", dijo. "Esto podría ampliar la gama de materiales disponibles para su uso en baterías. Las baterías de prueba pequeñas que fabricamos mostraron una carga prometedora-descargar el rendimiento, por lo que nos gustaría evaluar los materiales en baterías más grandes ".
Aunque pueden ser costosos, los nanocristales de antimonio auto-huecos tienen otra propiedad interesante: también podrían usarse en baterías de iones de sodio y de iones de potasio, sistemas emergentes para los que se debe hacer mucha más investigación.
"Este trabajo avanza nuestra comprensión de cómo evoluciona este tipo de material dentro de las baterías", dijo McDowell. "Esta información será crítica para implementar el material o materiales relacionados en la próxima generación de baterías de iones de litio, que podránalmacenar más energía y ser tan duradero como las baterías que tenemos hoy "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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