Debido a su alta densidad de almacenamiento de energía, los materiales como óxidos metálicos, sulfuros y fluoruros son materiales de electrodos prometedores para baterías de iones de litio en vehículos eléctricos y otras tecnologías. Sin embargo, su capacidad se desvanece muy rápidamente. Ahora, los científicos que estudian unEl electrodo hecho de un material de óxido de hierro económico y no tóxico llamado magnetita ha propuesto un escenario, descrito en la edición en línea del 20 de mayo de Comunicaciones de la naturaleza - eso explica por qué
"La magnetita, entre otros materiales de electrodos de tipo conversión es decir, materiales que se convierten en productos completamente nuevos cuando reaccionan con litio, puede almacenar más energía que los materiales de electrodos de hoy en día porque pueden acomodar más iones de litio", dijo el líder del estudioDong Su, líder del Grupo de Microscopía Electrónica en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE en el Laboratorio Nacional Brookhaven ". Sin embargo, la capacidad de estos materiales se degrada muy rápidamente ydepende de la densidad de corriente. Por ejemplo, nuestras pruebas electroquímicas de magnetita revelaron que su capacidad cae muy rápidamente dentro de los primeros 10 ciclos de carga y descarga de alta velocidad ".
Para descubrir qué hay detrás de esta pobre estabilidad en el ciclo, los científicos caracterizaron cómo la estructura cristalina y la naturaleza química de la magnetita evolucionaron a medida que la batería completaba 100 ciclos. Para estos estudios de caracterización, combinaron microscopía electrónica de transmisión TEM en el CFN yespectroscopía de absorción de rayos X sincrotrón XAS en Advanced Photon Source APS - una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional de Argonne. En TEM, un haz de electrones se transmite a través de una muestra para producir una imagen o un patrón de difraccióncaracterística de la estructura del material; XAS utiliza un haz de rayos X en su lugar para sondear la química del material.
Utilizando estas técnicas, los científicos descubrieron que la magnetita se descompone completamente en nanopartículas de hierro metálico y óxido de litio durante la primera descarga. En la siguiente carga, esta reacción de conversión no es completamente reversible: quedan restos de hierro metálico y óxido de litio. Además,La estructura original de "espinela" de magnetita evoluciona a una estructura de "sal de roca" la ubicación de los átomos de hierro no es completamente idéntica en las dos estructuras en el estado cargado. Con los siguientes ciclos de carga y descarga, el óxido de hierro de sal de roca interactúacon litio para formar un compuesto de óxido de litio y nanopartículas de hierro metálico. Debido a que la reacción de conversión no es completamente reversible, estos productos residuales se acumulan. Los científicos también encontraron que el electrolito el medio químico que permite que los iones de litio fluyan entre los dos electrodosse descompone en ciclos posteriores.
"Nuestros estudios TEM en tiempo real en ultra alto vacío nos permitieron ver cómo cambia la estructura del óxido de hierro de sal de roca a medida que se introduce el litio después de los ciclos iniciales", dijo Su. "Este estudio representa de manera única la litiación in situ de unmuestra reciclada. Estudios previos in situ solo analizaron los ciclos iniciales de carga y descarga. Sin embargo, necesitamos saber qué sucede durante muchos ciclos para diseñar baterías de mayor duración porque la estructura en el electrodo cargado es diferente de la del estado prístino."
Sobre la base de sus resultados, los científicos propusieron una explicación para el desvanecimiento de la capacidad.
"Debido a que el óxido de litio tiene una baja conductividad electrónica, su acumulación crea una barrera para los electrones que se mueven de un lado a otro entre el electrodo positivo y negativo de la batería", explicó el coautor principal Sooyeon Hwang, científico del personal del CFN Electron.Microscopy Group. "Llamamos a esta barrera una capa de pasivación interna. Del mismo modo, la descomposición electrolítica dificulta la conducción iónica al formar una capa de pasivación superficial. Esta acumulación de obstáculos impide que los electrones y los iones de litio lleguen a los materiales de los electrodos activos, donde ocurren las reacciones electroquímicas".
Los científicos notaron que operar la batería a baja corriente puede recuperar algo de esta capacidad al disminuir la velocidad de carga para proporcionar suficiente tiempo para el transporte de electrones; sin embargo, se necesitan otras soluciones para finalmente solucionar el problema. Creen que agregar otros elementosal material del electrodo y cambiar el electrolito podría mejorar la capacidad de desvanecimiento.
"El conocimiento que obtuvimos generalmente se puede aplicar a otros compuestos de conversión, que también enfrentan el mismo problema con las capas de pasivación internas y externas", dijo el co-corresponsal Zhongwei Chen, profesor de la Universidad de Waterloo, Canadá ".Espero que este estudio pueda ayudar a guiar futuras investigaciones fundamentales sobre estos prometedores materiales de electrodos de conversión ".
El equipo estaba compuesto por científicos del Departamento de Tecnologías de Energía Sostenible y CFN en Brookhaven Lab, APS en Argonne National Lab, la Universidad de Pennsylvania y la Universidad de Waterloo en Canadá. La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia, Ciencias Naturales del DOEy el Consejo de Investigación de Ingeniería de Canadá, la Universidad de Waterloo y el Instituto de Nanotecnología de Waterloo.
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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