Las baterías recargables alimentan todo, desde vehículos eléctricos hasta dispositivos portátiles, pero los obstáculos limitan la creación de fuentes de energía más elegantes, duraderas y más eficientes. Las baterías producen electricidad cuando los átomos cargados, conocidos como iones, se mueven en un circuito desde un extremo positivo ánodo a un extremo negativo cátodo a través de una mezcla facilitadora de moléculas llamada electrolito.
Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están mejorando la vida útil de las baterías recargables que funcionan con litio, un pequeño átomo que puede empaquetarse firmemente en los materiales de los ánodos de grafito. Los iones valiosos se agotan a medida que las baterías se cargan, y tambiénperdido por la formación de una capa delgada en el ánodo de una batería durante la carga inicial. Los investigadores de ORNL utilizaron dos de las instalaciones de ciencia de neutrones más poderosas del mundo para tratar de comprender la dinámica detrás de este fenómeno.
En un artículo publicado en el Revista de Química Física C , los investigadores de ORNL se centraron en el crecimiento espontáneo del revestimiento delgado, llamado interfase de electrolitos sólidos SEI. Este revestimiento a nanoescala protege y estabiliza la nueva batería, pero tiene un costo. El electrolito, una mezcla de moléculascompuesto de hidrógeno, carbono, litio y oxígeno, se ve obligado a descomponerse para formar esta película.
"El panorama general es aumentar la cantidad de litio que podemos poner en una batería", dijo Robert Sacci, autor principal y científico de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales. "Cuando desarrollas una batería, pones exceso de litio porque muchode ese litio se consume o se elimina de la usabilidad para formar esta película delgada "
Sacci y sus colegas utilizaron haces de partículas subatómicas llamadas neutrones para profundizar en la reactividad atómica de una batería durante su primer ciclo de carga. Los neutrones eran necesarios porque pueden entrar fácilmente en estructuras tridimensionales y son sensibles a los cambios en la concentración de hidrógeno, un componente importante deelectrolitos.
Los investigadores de ORNL apuntaron a las muestras de ánodo con neutrones de la Fuente de neutrones de espalación SNS, el haz pulsado más intenso del mundo, y el Reactor de isótopos de alto flujo HFIR, el reactor de investigación de haz continuo más alto de los Estados Unidos.caminos dispersos de los neutrones después de que los rayos penetraron el material, creando un mapa constantemente actualizado de la dinámica molecular de la muestra.
La dispersión de neutrones es clave para comprender la actividad de la batería a escala atómica. Si bien los haces difractados de neutrones parecerían ser un desastre para la mayoría, como las luces que bailan de una bola de discoteca en todas las direcciones, los científicos expertos usan estas señales de dispersiónpara calcular los cambios químicos y estructurales mientras se desarrolla la capa SEI.
¿La película de la batería es amiga o enemiga?
Una vez que se forma la capa SEI, amortigua la degradación del electrolito y evita una acumulación peligrosa de depósitos metálicos en el ánodo de grafito litiado, lo que aumenta el ciclo de vida de una batería.
Sacci y su equipo se preguntaron si una película prefabricada podría proteger el ánodo y minimizar el consumo de iones de litio.
Los científicos de ORNL incorporaron átomos de litio en las vacantes dentro del grafito mediante molienda a alta fuerza. El resultado fue un material anódico cargado de polvo que luego sumergieron en una solución de electrolito.
Se formó una película delgada alrededor de cada partícula de grafito litiado, encapsulándola. En este punto, los científicos estaban listos para someter las muestras a pruebas de dispersión de neutrones para obtener una nueva perspectiva de cómo se genera una capa SEI durante la carga inicial de un ion de litiobatería.
Los investigadores utilizaron el espectrómetro vibratorio de SNS, VISION, para obtener información química sobre la capa SEI. HFIR permitió a los científicos de ORNL utilizar técnicas de dispersión de neutrones de ángulo pequeño SANS para mapear la estructura de la película delgada y obtener nueva información sobre su formación.
"Con VISION, podemos medir las vibraciones de los átomos, que nos dicen cómo están unidos dentro de las moléculas, y con SANS, un instrumento de dispersión en HFIR, estás mirando más o menos qué tan grandes son las partículas y cómoestán arreglados ", dijo Sacci.
Después de explorar el material del ánodo de grafito litiado, Sacci y sus colegas investigadores de energía ahora entienden el proceso químico por el cual la delgada capa protectora se genera en el ánodo.
"Pudimos decir definitivamente, sí, se formó un polímero, las partículas parecían más grandes, lo que significa que creció una capa sobre ellas, y estaban más interconectadas", dijo Sacci.
"La ventaja de formar esta interfaz polimérica de electrolito sólido antes del ensamblaje de la batería es que la batería duraría más y es un buen paso para darnos pistas sobre cómo diseñar estas interfaces artificiales".
Esta investigación fue apoyada como parte del Centro de Reacciones, Estructuras y Transporte de la Interfaz de Fluidos FIRST, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU.Isotope Reactor, DOE Office of Science User Facilities en ORNL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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