Un estudio detallado nanomecánico de los procesos de degradación mecánica en estructuras de silicio que contienen niveles variables de iones de litio ofrece buenas noticias para los investigadores que intentan desarrollar baterías recargables confiables de próxima generación utilizando electrodos a base de silicio.
Los ánodos, los electrodos negativos, basados en silicio, teóricamente pueden almacenar hasta diez veces más iones de litio que los electrodos de grafito convencionales, lo que hace que el material sea atractivo para su uso en baterías de iones de litio de alto rendimiento. Sin embargo, la fragilidad del materialha desalentado los esfuerzos para usar silicio puro en los ánodos de la batería, que deben soportar cambios de volumen dramáticos durante los ciclos de carga y descarga.
Utilizando una combinación de técnicas experimentales y de simulación, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y otras tres organizaciones de investigación han informado una tolerancia al daño sorprendentemente alta en materiales de silicio electroquímicamente litiados. El trabajo sugiere que los ánodos de silicio total pueden ser comercialmente viables si la bateríalos niveles de carga se mantienen lo suficientemente altos como para mantener el material en su estado dúctil.
Con el apoyo de la National Science Foundation, la investigación se informa el 24 de septiembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"El silicio tiene una capacidad teórica muy alta, pero debido a los problemas mecánicos percibidos, la gente se ha sentido frustrada por usarlo en baterías de próxima generación", dijo Shuman Xia, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruffen Georgia Tech. "Pero nuestra investigación muestra que el silicio litiado no es tan frágil como podríamos haber pensado. Si trabajamos cuidadosamente con la ventana operativa y la profundidad de descarga, nuestros resultados sugieren que potencialmente podemos diseñar baterías muy duraderas a base de silicio".
Las baterías de iones de litio se usan hoy en una amplia gama de aplicaciones, desde dispositivos móviles de mano hasta computadoras portátiles y vehículos eléctricos. Una nueva generación de baterías de alta capacidad podría facilitar las aplicaciones de transporte ampliado y el almacenamiento a gran escala de la electricidad producida porrecursos renovables.
El desafío es obtener más iones de litio en los ánodos y cátodos de las baterías. Las baterías de litio de hoy en día usan ánodos de grafito, pero el silicio se ha identificado como una alternativa porque puede almacenar sustancialmente más iones de litio por átomo. Sin embargo, almacenar esos ionesproduce un cambio de volumen de hasta el 280 por ciento, lo que provoca tensiones que pueden agrietar los ánodos hechos de silicio puro, lo que lleva a una degradación significativa del rendimiento. Una estrategia es utilizar un compuesto de partículas de silicio y grafito, pero eso no permite aprovechar todo el potencial del silicio.para aumentar la capacidad de la batería
En un esfuerzo por comprender lo que estaba sucediendo con los materiales, el equipo de investigación utilizó una serie de pruebas nanomecánicas sistemáticas, respaldadas por simulaciones de dinámica molecular. Para facilitar su estudio, utilizaron nanocables de silicio y células electroquímicas que contenían películas de silicio quetenían unos 300 nanómetros de grosor
Los investigadores estudiaron el estrés producido por la litiación de las películas delgadas de silicio, y usaron un nanoindenter, una punta pequeña que se usa para aplicar presión sobre la superficie de la película, para estudiar la propagación de grietas en estas películas delgadas, que contenían cantidades variables de litioiones: el silicio pobre en litio se agrietó bajo la tensión de indentación, pero los investigadores se sorprendieron al descubrir que por encima de una cierta concentración de litio, ya no podían romper las muestras de película delgada.
Utilizando un equipo experimental único para evaluar los efectos de la flexión mecánica en nanotires de silicio parcialmente litiados, los investigadores dirigidos por el profesor Scott Mao de la Universidad de Pittsburgh estudiaron los mecanismos de daño de nanocables en tiempo real utilizando un microscopio electrónico de transmisión TEM.Las pruebas in situ mostraron que los núcleos de silicio de los nanocables permanecían frágiles, mientras que la porción externa de los cables se volvía más dúctil a medida que absorbían litio.
"Nuestros experimentos de nanoindentación y TEM fueron muy consistentes", dijo Xia. "Ambos sugieren que el material de silicio litiado se vuelve muy tolerante al daño a medida que la concentración de litio supera un cierto nivel: una relación molar de litio a silicio de aproximadamente 1.5Más allá de este nivel, ni siquiera podemos inducir grietas con cargas de sangría muy grandes ".
Ting Zhu, profesor de la Woodruff School of Mechanical Engineering en Georgia Tech, realizó simulaciones detalladas de dinámica molecular para comprender lo que estaba sucediendo en el silicio electroquímicamente litiado. A medida que más litio entraba en las estructuras de silicio, encontró que el litio-litio dúctily los enlaces de litio-silicio superaron la fragilidad de los enlaces de silicio-silicio, dando a la aleación de litio-silicio resultante una resistencia a la fractura más deseable.
"En nuestra simulación de aleaciones ricas en litio, los enlaces litio-litio dominan", dijo Zhu. "La formación de daños y la propagación del agrietamiento puede suprimirse efectivamente debido a la gran fracción de enlaces litio-litio y litio-silicio. Nuestra simulación reveló los fundamentos de la transición de la aleación de un estado frágil a un estado dúctil ".
Utilizando los resultados de los estudios, los investigadores trazaron las propiedades mecánicas cambiantes de las estructuras de silicio en función de su contenido de litio. Al sugerir un rango de condiciones de operación bajo las cuales el silicio permanece dúctil, Xia espera que el trabajo cause ingenieros de bateríaspara echar un nuevo vistazo a los electrodos totalmente de silicio.
"Nuestro trabajo tiene implicaciones fundamentales e inmediatas para el desarrollo de baterías de litio de alta capacidad, tanto desde el punto de vista práctico como fundamental", dijo. "El silicio litiado puede tener una tolerancia al daño muy alta más allá de un valor umbral deconcentración de litio. Esto nos dice que las baterías a base de silicio podrían hacerse muy duraderas si controlamos cuidadosamente la profundidad de descarga ".
En el trabajo futuro, Xia y Zhu esperan estudiar las propiedades mecánicas del germanio, otro material anódico potencial para baterías recargables de iones de litio de alta velocidad. También analizarán baterías completamente sólidas, que funcionarían sin un electrolito líquido paraiones lanzadera entre los dos electrodos. "Esperamos encontrar un electrolito sólido con alta conductividad de iones de litio y buena resistencia mecánica para reemplazar los electrolitos líquidos actuales que son altamente inflamables", dijo Zhu.
"El marco de investigación que hemos desarrollado aquí es de aplicación general a una amplia gama de materiales de electrodos", señaló Xia. "Creemos que este trabajo estimulará muchas nuevas direcciones en la investigación de baterías".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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