A medida que la energía renovable crece como fuente de energía en todo el mundo, un componente clave aún escapa a la industria: baterías a gran escala, estables, eficientes y asequibles.
Las baterías de iones de litio han demostrado ser exitosas para la electrónica de consumo, pero los vehículos eléctricos, las turbinas eólicas o las redes inteligentes requieren baterías con una capacidad de energía mucho mayor. Un competidor principal es la batería de litio-metal, que difiere de la tecnología de iones de litio en que contieneelectrodos de metal de litio.
concebidas por primera vez en 1912, las baterías de litio-metal tienen el potencial de almacenar grandes cantidades de energía a un bajo costo, pero sufren un defecto fatal: las dendritas, agujas afiladas hechas de grupos de átomos de litio que pueden hacer que las baterías se calienten.arriba y ocasionalmente cortocircuito y se incendia.
Sin embargo, la promesa de la tecnología ha mantenido a los investigadores y las empresas trabajando en formas de superar este problema.
"Las baterías de metal de litio son básicamente las baterías soñadas, ya que proporcionan una densidad de energía extremadamente alta", dijo Reza Shahbazian-Yassar, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial en la Universidad de Illinois en Chicago UIC. "Sin embargo, nosotrosno se han podido construir baterías de litio-metal comercialmente viables con electrolitos líquidos orgánicos debido al recubrimiento heterogéneo de metal de litio que conduce a dendritas bajo ciclos de batería prolongados ".
Recientemente, equipos de investigadores, incluidos Shahbazian-Yassar en la UIC y Perla Balbuena en la Universidad Texas A&M, se han acercado cada vez más a encontrar una solución, en parte mediante la aplicación del poder de las supercomputadoras para comprender la química y la física centrales en el trabajo en la dendritaformación y para diseñar nuevos materiales que puedan mitigar el crecimiento de la dendrita.
Escribiendo en Materiales funcionales avanzados en febrero de 2018, los investigadores presentaron los resultados de los estudios en un nuevo material que puede resolver el antiguo problema de la dendrita.
"La idea era desarrollar un material de recubrimiento que pueda proteger el metal de litio y hacer que la deposición de iones sea mucho más suave", dijo Balbuena, profesor de Ingeniería Química en Texas A&M y coautor del artículo.
Las investigaciones se basaron en las supercomputadoras Stampede y Lonestar en el Centro de Computación Avanzada de Texas TACC, entre las más poderosas del mundo.
ION PACHINKO
En el documento, los investigadores describieron una nanocapa de óxido de grafeno que se puede rociar sobre un separador de fibra de vidrio que luego se inserta en la batería. El material permite que los iones de litio lo atraviesen, pero se ralentiza y controla cómo se combinan los iones conelectrones de la superficie para convertirse en átomos neutros. En lugar de formar agujas, los átomos depositados forman superficies lisas y planas en la parte inferior de la lámina.
Los investigadores utilizaron modelos de computadora y simulaciones en conjunto con experimentos físicos e imágenes microscópicas para revelar cómo y por qué el material controla efectivamente la deposición de litio. Mostraron que los iones de litio forman una película delgada en la superficie del óxido de grafeno y luego se difundensitios defectuosos - esencialmente espacios en las capas del material - antes de asentarse debajo de la capa inferior del óxido de grafeno.El material actúa como las clavijas en un juego de pachinko, disminuyendo y dirigiendo las bolas de metal a medida que caen.
"Nuestra contribución fue realizar simulaciones de dinámica molecular en las que seguimos la trayectoria de los electrones y átomos en el tiempo y observamos lo que sucede a nivel atomístico", dijo Balbuena. "Estábamos interesados en dilucidar cómo se difundían los iones de litio a través deel sistema y convertirse en átomos cuando la deposición termina en un revestimiento de litio ".
Las baterías dopadas con óxido de grafeno muestran una vida útil mejorada y exhiben estabilidad hasta 160 ciclos, mientras que una batería no modificada pierde rápidamente su eficiencia después de 120 ciclos. El óxido se puede aplicar de manera simple y asequible con una pistola de recubrimiento por pulverización.
La forma en que se aplica el aerosol en las nanohojas fue otro foco de la investigación. "Cuando haces el experimento, no está claro a nivel microscópico dónde se ubicará el recubrimiento", dijo Balbuena. "Es muy delgado, por lo que ubicar estos recubrimientoscon precisión no es trivial "
Su modelo de computadora exploró si sería más favorable si el óxido estuviera orientado en paralelo o perpendicular al colector de corriente. Descubrieron que ambos pueden ser efectivos, pero si se depositan en paralelo, el material requiere una cierta cantidad de defectos para que los iones puedanDeslizarse a través.
"Las simulaciones dieron a nuestros colaboradores ideas sobre el mecanismo de transferencia de iones a través del recubrimiento", dijo Balbuena. "Es posible que algunas de las direcciones futuras puedan involucrar diferentes espesores o composiciones químicas basadas en el fenómeno que observamos".
EXPLORANDO MATERIALES DE CATODO ALTERNATIVO
En una investigación separada, publicada en ChemSusChem en febrero de 2018, Balbuena y el estudiante graduado Saúl Pérez Beltrán describieron un diseño de batería que utiliza láminas de grafeno para mejorar el rendimiento de los cátodos de carbono-azufre para las baterías de litio-azufre, otro sistema potencial de almacenamiento de alta capacidad.
Además de la abundancia natural de azufre, la no toxicidad y el bajo costo, un cátodo a base de azufre es teóricamente capaz de entregar almacenamiento hasta 10 veces mayor que los cátodos de óxido de litio-cobalto comúnmente utilizados en baterías convencionales de iones de litio.
Sin embargo, las reacciones químicas en la batería conducen a la formación de polisulfuros de litio, compuestos químicos que contienen cadenas de átomos de azufre. Los polisulfuros de cadena larga son solubles en el electrolito líquido y migran al ánodo de litio metálico donde se descomponen, un efecto no deseado.Por otro lado, los polisulfuros de cadena corta son insolubles y permanecen en el cátodo a base de azufre. Los investigadores investigaron cómo la microestructura del cátodo puede afectar esta química.
Abordaron el problema de la formación incontrolada de polisulfuro creando un material compuesto de azufre / grafeno que evita la formación de los polisulfuros solubles de cadena larga. Descubrieron que las láminas de grafeno aportan estabilidad al cátodo y mejoran sus capacidades de captura de iones.
La investigación de Balbuena cuenta con el apoyo del Departamento de Energía como parte de los programas Battery Material Research y Battery 500 Seedling, ambos destinados a crear paquetes de baterías más pequeños, más seguros, más livianos y menos costosos para que los vehículos eléctricos sean más asequibles.
Stampede y su continuación Stampede2 cuentan con el apoyo de subvenciones de la National Science Foundation y permiten que decenas de miles de investigadores de todo el país exploren problemas que de otro modo no podríamos abordar.
"Estos son cálculos muy extensos, es por eso que necesitamos computadoras de alto rendimiento", dijo Balbuena. "Somos grandes usuarios de recursos TACC y estamos muy agradecidos con la Universidad de Texas por permitirnos usar estas instalaciones".
Para Balbuena, la investigación fundamental impulsada por una supercomputadora en baterías de próxima generación es una síntesis perfecta de sus intereses.
"La investigación es una combinación de química, física e ingeniería, todo habilitado por la informática, este microscopio teórico que puede visualizar cosas a través de la teoría"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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