Las baterías de metal de litio son una gran promesa para el almacenamiento de energía de la próxima generación porque el electrodo negativo de metal de litio tiene una capacidad específica teórica 10 veces mayor que el electrodo de grafito utilizado en las baterías comerciales de iones de litio. También tiene el potencial de electrodo más negativo entre los materiales parabaterías de litio, lo que lo convierte en un electrodo negativo perfecto. Sin embargo, el litio es uno de los materiales más difíciles de manipular, debido a su mecanismo interno de crecimiento de dendritas. Este proceso altamente complejo aún no se comprende completamente y puede ocasionar que las baterías de iones de litio ocasionalmente se cortocircuiten.circuito, incendiarse o incluso explotar.
Si bien los investigadores saben que el crecimiento de las dendritas, que son bigotes de litio en forma de aguja que se forman internamente en los electrodos de la batería, se ve afectado por la forma en que los iones se mueven en el electrolito, no entienden cómo el transporte de iones y la concentración iónica no homogénea afectan la morfología deDeposición de litio: el transporte de iones por imágenes en un electrolito transparente ha demostrado ser un gran desafío, y las técnicas actuales no han podido capturar bajas concentraciones iónicas y una dinámica de electrolitos ultrarrápida.
Los investigadores de la Universidad de Columbia anunciaron hoy que han utilizado la microscopía de dispersión estimulada Raman SRS, una técnica ampliamente utilizada en estudios biomédicos, para explorar el mecanismo detrás del crecimiento de la dendrita en las baterías de litio y, al hacerlo, se han convertido en el primer equipo de materialLos científicos observaron directamente el transporte de iones en electrolitos. Descubrieron un proceso de deposición de litio que corresponde a tres etapas: sin agotamiento, un agotamiento parcial una etapa previamente desconocida y agotamiento total de iones de litio. También encontraron un mecanismo de retroalimentación entre la dendrita de litiocrecimiento y heterogeneidad de la concentración iónica local que puede ser suprimida por la interfase electrolítica sólida artificial en la segunda y tercera etapas. El artículo se publica en línea en Comunicaciones de la naturaleza .
"Utilizando la microscopía de dispersión Raman estimulada, que es lo suficientemente rápida como para captar el entorno que cambia rápidamente dentro del electrolito, hemos podido descubrir no solo por qué se forman las dendritas de litio, sino también cómo inhibir su crecimiento", dice Yuan Yang,coautor del estudio y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas en Columbia Engineering. "Nuestros resultados muestran que el transporte de iones y la concentración iónica no homogénea es fundamental para la formación de dendritas de litio en la superficie del litio.La capacidad de visualizar el movimiento de iones nos ayudará a mejorar el rendimiento de todo tipo de dispositivos electroquímicos, no solo las baterías, sino también las pilas de combustible y los sensores ".
Para este estudio, Yang colaboró con Wei Min, profesor de química en la Universidad de Columbia y coautor del estudio. Hace diez años, Min desarrolló SRS con colegas como una herramienta para mapear enlaces químicos en muestras biológicas. Yang aprendió sobre la técnicadel sitio web de Min, y me di cuenta de que SRS podría ser una herramienta valiosa en la investigación de su batería.
"SRS es de tres a seis órdenes de magnitud más rápido que la microscopía Raman espontánea convencional", señaló Yang. "Con SRS, podemos adquirir una imagen 3D de resolución de 300 nm 1/300 del diámetro del cabello humano en10 segundos con una resolución química ~ 10 mM, lo que hace posible la imagen de transporte y distribución de iones "
El estudio reveló que hay tres etapas dinámicas en el proceso de deposición de Li :
La etapa 2 es un punto de transición crítico en el que el agotamiento heterogéneo de Li + en la superficie de Li induce que la deposición de litio crezca del "modo de litio cubierto de musgo" al "modo de litio dendrita". En esta etapa, comienzan a aparecer dos regiones: una dendritaregión donde el litio comienza a depositar dendritas a un ritmo cada vez más rápido, y una región sin dendrita donde la deposición de litio se ralentiza e incluso se detiene. Estos resultados también son consistentes con las predicciones realizadas a partir de simulaciones realizadas por colaboradores de la Universidad Estatal de Pensilvania, Long-Qing Chen, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y su estudiante de doctorado Zhe Liu.
"El uso inteligente de la microscopía de dispersión estimulada Raman para visualizar la concentración de electrolitos dentro de un electrodo operativo es un verdadero avance en la imagen de sistemas electroquímicos", dice Martin Bazant, profesor de ingeniería química y matemáticas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts ".En el caso de la electrodeposición de litio, el vínculo entre el agotamiento local de la sal y el crecimiento dendrítico se observó directamente por primera vez, con importantes implicaciones para el diseño de baterías metálicas recargables seguras ".
Después de sus observaciones, el equipo de Columbia desarrolló un método para inhibir el crecimiento de la dendrita al homogeneizar la concentración iónica en la superficie de litio en las etapas 2 y 3.
"Cuando hicimos que la distribución de iones en la superficie fuera uniforme y mitigamos la heterogeneidad iónica al depositar una interfaz de electrolito sólido artificial, pudimos suprimir la formación de dendritas", dice el autor principal del estudio, Qian Cheng, investigador postdoctoral en el laboratorio de Yang ".Esto nos da una estrategia para suprimir el crecimiento de las dendritas y avanzar para mejorar la densidad de energía de las baterías actuales mientras desarrollamos el almacenamiento de energía de la próxima generación ".
Min está muy contento de que su técnica SRS se haya convertido en una herramienta tan poderosa para los materiales y los campos de energía. "Sin la microscopía SRS, no hubiéramos podido ver y validar una correlación tan clara entre la concentración de Li + y el crecimiento de la dendrita,"dice." Estamos entusiasmados de que más personas en la ciencia de los materiales aprendan sobre esta herramienta. ¿Quién sabe lo que veremos a continuación? "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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