Los científicos han descubierto una causa raíz del crecimiento de estructuras con forma de aguja, conocidas como dendritas y bigotes, que afectan a las baterías de litio, a veces causando un cortocircuito, falla o incluso un incendio.
El equipo, dirigido por Chongmin Wang en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, ha demostrado que la presencia de ciertos compuestos en el electrolito, el material líquido que hace posible la química crítica de una batería, provoca el crecimiento de dendritas ybigotes. El equipo espera que el descubrimiento conduzca a nuevas formas de prevenir su crecimiento mediante la manipulación de los ingredientes de la batería. Los resultados se publicaron en línea el 14 de octubre en Nanotecnología de la naturaleza .
Las dendritas son pequeñas estructuras rígidas en forma de árbol que pueden crecer dentro de una batería de litio; sus proyecciones en forma de aguja se llaman bigotes. Ambas causan un daño tremendo; en particular, pueden perforar una estructura conocida como el separador dentro de una batería, al igual queuna maleza puede asomar a través de un patio de concreto o un camino pavimentado. También aumentan las reacciones no deseadas entre el electrolito y el litio, acelerando la falla de la batería. Las dendritas y los bigotes están frenando el uso generalizado de baterías de litio metálico, que tienen una mayor densidad de energía quesus contrapartes de iones de litio de uso común.
El equipo de PNNL descubrió que el origen de los bigotes en una batería de metal de litio radica en una estructura conocida como "SEI" o interfase de electrolitos sólidos, una película donde la superficie de litio sólido del ánodo se encuentra con el electrolito líquido.Los científicos identificaron a un culpable en el proceso de crecimiento: el carbonato de etileno, un solvente indispensable agregado al electrolito para mejorar el rendimiento de la batería.
Resulta que el carbonato de etileno deja la batería vulnerable al daño.
Captura de acción rápida dentro de las baterías de litio
Los hallazgos del equipo incluyen videos que muestran el crecimiento paso a paso de un bigote dentro de una batería de metal de litio de tamaño nanométrico especialmente diseñado para el estudio.
Una dendrita comienza cuando los iones de litio comienzan a agruparse, o "nuclearse", en la superficie del ánodo, formando una partícula que significa el nacimiento de una dendrita. La estructura crece lentamente a medida que más y más átomos de litio se engullen, creciendo elDe la misma manera que una estalagmita crece desde el suelo de una cueva. El equipo descubrió que la dinámica de energía en la superficie del SEI empuja más iones de litio en la columna de crecimiento lento. Luego, de repente, un bigote se dispara.
No fue fácil para el equipo capturar la acción. Para hacerlo, los científicos integraron un microscopio de fuerza atómica AFM y un microscopio electrónico de transmisión ambiental ETEM, un instrumento muy apreciado que permite a los científicos estudiar una batería operativabajo condiciones reales.
El equipo usó el AFM para medir la pequeña fuerza del bigote a medida que crecía. Al igual que un médico mide la fuerza de la mano de un paciente al pedirle que empuje hacia arriba contra las manos extendidas del médico, el equipo de PNNL midió la fuerza del crecimientobigote empujando hacia abajo su punta con el voladizo del AFM y midiendo la fuerza que ejerció la dendrita durante su crecimiento.
La receta para electrolitos
El equipo descubrió que el nivel de carbonato de etileno se correlaciona directamente con el crecimiento de dendritas y bigotes. Cuanto más material coloca el equipo en el electrolito, más crecen los bigotes. Los científicos experimentaron con la mezcla de electrolitos, cambiando los ingredientes en un esfuerzopara reducir las dendritas. Algunos cambios, como la adición de ciclohexanona, impidieron el crecimiento de dendritas y bigotes.
"No queremos simplemente suprimir el crecimiento de las dendritas; queremos llegar a la causa raíz y eliminarlas", dijo Wang, un autor correspondiente del artículo junto con Wu Xu. "Nos basamos en la experiencia denuestros colegas que tienen experiencia en electroquímica. Espero que nuestros hallazgos estimulen a la comunidad a considerar este problema de nuevas maneras. Claramente, se necesita más investigación ".
Entender qué causa que los bigotes comiencen y crezcan conducirá a nuevas ideas para eliminarlos o al menos controlarlos para minimizar el daño, agregó el primer autor Yang He. Él y el equipo rastrearon cómo los bigotes responden a un obstáculo, ya sea pandeando, cediendo,retorcerse o detenerse. Una mayor comprensión podría ayudar a despejar el camino para el uso generalizado de baterías de metal de litio en automóviles eléctricos, computadoras portátiles, teléfonos móviles y otras áreas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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