Construir una batería mejor es un acto de equilibrio delicado. Aumentar la cantidad de químicos cuyas reacciones alimentan la batería puede conducir a la inestabilidad. Del mismo modo, las partículas más pequeñas pueden mejorar la reactividad pero exponen más material a la degradación. Ahora, un equipo de científicos del Departamento de EE.del Laboratorio Nacional Brookhaven de Energy DOE, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC dicen que han encontrado una manera de lograr un equilibrio, al hacer un cátodo de batería con una estructura jerárquica donde el material reactivo es abundante pero protegido.
Las baterías de prueba que incorporan este material de cátodo exhibieron un comportamiento mejorado de ciclado de alto voltaje, el tipo que desearía para vehículos eléctricos de carga rápida y otras aplicaciones que requieren almacenamiento de alta capacidad. Los científicos describen los detalles de micro a nanoescala deel material del cátodo en un artículo publicado en la revista Energía natural 11 de enero de 2016.
"Nuestros colegas en Berkeley Lab pudieron hacer una estructura de partículas que tiene dos niveles de complejidad donde el material se ensambla de tal manera que se protege de la degradación", explicó el físico Brookhaven Lab y el profesor asistente adjunto de la Universidad Stony Brook, Huolin Xin, que ayudó a caracterizar los detalles a nanoescala del material del cátodo en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab.
Las imágenes de rayos X realizadas por científicos en el Stanford Synchrotron Radiation Lightsource SSRL en SLAC junto con la microscopía electrónica de Xin en CFN revelaron partículas esféricas del material del cátodo que mide millonésimas de metro, o micras, de diámetro compuesto de muchos más pequeños, partículas de nanoescala facetadas apiladas juntas como ladrillos en una pared. Las técnicas de caracterización revelaron detalles estructurales y químicos importantes que explican por qué estas partículas funcionan tan bien.
La lanzadera de iones de litio
La química está en el corazón de todas las baterías recargables de iones de litio, que alimentan la electrónica portátil y los autos eléctricos al transportar iones de litio entre los electrodos positivo y negativo bañados en una solución electrolítica. A medida que el litio entra en el cátodo, las reacciones químicas generan electrones que puedenenrutarse a un circuito externo para su uso. La recarga requiere una corriente externa para ejecutar las reacciones en reversa, sacando los iones de litio del cátodo y enviándolos al ánodo.
Los metales reactivos como el níquel tienen el potencial de producir excelentes materiales catódicos, excepto que son inestables y tienden a sufrir reacciones secundarias destructivas con el electrolito. Por lo tanto, el equipo de baterías Brookhaven, Berkeley y SLAC experimentó con formas de incorporar níquel pero protegerde estas reacciones secundarias destructivas.
Rociaron una solución de litio, níquel, manganeso y cobalto mezclados en cierta proporción a través de una boquilla atomizadora para formar pequeñas gotas, que luego se descompusieron para formar un polvo. Calentar y enfriar repetidamente el polvo desencadenó la formación de pequeñas partículas nanosizedy el autoensamblaje de estas partículas en las estructuras esféricas más grandes, a veces huecas.
Utilizando rayos X en el SSRL de SLAC, los científicos hicieron "huellas digitales" químicas de las estructuras a escala de micras. La técnica de sincrotrón, llamada espectroscopía de rayos X, reveló que la superficie externa de las esferas era relativamente baja en níquel y alta enmanganeso no reactivo, mientras que el interior era rico en níquel.
"La capa de manganeso forma una barrera efectiva, como la pintura en una pared, protegiendo la estructura interna de los 'ladrillos' ricos en níquel del electrolito", dijo Xin.
¿Pero cómo pudieron los iones de litio aún entrar en el material para reaccionar con el níquel? Para descubrirlo, el grupo de Xin en el CFN molió las partículas más grandes para formar un polvo compuesto por grupos mucho más pequeños de las partículas primarias a nanoescala con algunosde las interfaces entre ellas aún intactas.
"Estas muestras muestran un pequeño subconjunto de los ladrillos que forman la pared. Queríamos ver cómo se juntan los ladrillos. ¿Qué tipo de cemento o mortero los une? ¿Se colocan en capas regularmente o se orientan aleatoriamente con espacios enentre? "Xin dijo.
Los detalles a nanoescala explican un rendimiento mejorado
Utilizando un microscopio electrónico de transmisión de exploración con corrección de aberración, un microscopio electrónico de transmisión de exploración equipado con un par de "anteojos" para mejorar su visión, los científicos vieron que las partículas tenían facetas, caras planas o lados como los bordes cortados deun cristal, lo que les permitió empaquetarse entre sí para formar interfaces coherentes sin mortero o cemento entre los ladrillos, pero hubo un ligero desajuste entre las dos superficies, con los átomos en un lado de la interfaz muy ligeramente compensados en relación conlos átomos en la partícula contigua
"La acumulación de átomos en las interfaces entre las partículas diminutas es ligeramente menos densa que la red perfecta dentro de cada partícula individual, por lo que estas interfaces básicamente hacen una carretera para que los iones de litio entren y salgan", dijo Xin.
Al igual que los pequeños autos inteligentes, los iones de litio pueden moverse a lo largo de estas carreteras para alcanzar la estructura interior de la pared y reaccionar con el níquel, pero las moléculas de electrolitos de tamaño de camión semi mucho más grandes no pueden entrar para degradar el material reactivo.
Usando una herramienta de espectroscopía dentro de su microscopio, los científicos de CFN produjeron huellas dactilares químicas a nanoescala que revelaron que había cierta segregación de níquel y manganeso incluso a nanoescala, al igual que en las estructuras a escala de micras.
"Todavía no sabemos si esto es funcionalmente significativo, pero creemos que podría ser beneficioso y queremos estudiarlo más a fondo", dijo Xin. Por ejemplo, dijo, quizás el material podría fabricarse a nanoescala paratienen un esqueleto de manganeso para estabilizar los bolsillos ricos en níquel más reactivos y menos estables.
"Esa combinación podría darle una vida útil más larga para la batería junto con la mayor capacidad de carga del níquel", dijo.
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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