Aquí hay un caso en el que los desvíos aceleran el tráfico. El resultado puede ser mejores baterías para el transporte, la electrónica y el almacenamiento de energía solar.
Los científicos de la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad de Rice han descubierto que colocar defectos específicos en la red cristalina de los cátodos basados en fosfato de hierro y litio amplía las vías por las que viajan los iones de litio. Sus cálculos teóricos podrían mejorar el rendimiento hasta dos órdenes de magnitud y puntoel camino a mejoras similares en otros tipos de baterías.
Estos defectos, conocidos como antisites, se forman cuando los átomos se colocan en las posiciones incorrectas en la red, es decir, cuando los átomos de hierro se sientan en los sitios que deberían estar ocupados por el litio. Los defectos antisite impiden el movimiento del litio dentro de la red cristalinay generalmente se consideran perjudiciales para el rendimiento de la batería.
Sin embargo, en el caso del fosfato de litio y hierro, los investigadores de Rice descubrieron que crean muchos desvíos dentro del cátodo y permiten que los iones de litio lleguen al frente de reacción sobre una superficie más amplia, lo que ayuda a mejorar la carga o la velocidad de descarga de las baterías.
La investigación aparece en la revista Nature Materiales computacionales .
El fosfato de hierro y litio es un material de cátodo ampliamente utilizado para las baterías de iones de litio y también sirve como un buen sistema modelo para estudiar la física subyacente al proceso de ciclo de la batería, dijo el científico de materiales de Rice Ming Tang, quien llevó a cabo la investigación con el ex alumno Liang Hong, ahora investigador en MathWorks y estudiante graduado Kaiqi Yang.
Tras la inserción de litio, el cátodo cambia de una fase pobre en litio a una rica en litio, dijo Tang, profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería. Cuando la cinética de la reacción superficial es lenta, el litio solo puede insertarse en hierro de litiofosfato dentro de una región de superficie estrecha alrededor del límite de la fase, la "carretera", un fenómeno que limita la velocidad a la que la batería puede recargarse.
"Si no hay defectos, el litio solo puede entrar en esta pequeña región alrededor del límite de fase", dijo. "Sin embargo, los defectos antisitio pueden hacer que la inserción de litio tenga lugar de manera más uniforme en la superficie, por lo que el límite se movería más rápidoy la batería se cargaría más rápido.
"Si fuerza la carga rápida del cátodo sin defectos aplicando un voltaje grande, habrá un flujo de litio local muy alto en la superficie y esto puede causar daños al cátodo", dijo. "Este problema puedese resolverá usando defectos para extender el flujo sobre toda la superficie del cátodo "
El recocido del material - calentamiento sin quemarlo - podría usarse para controlar la concentración de defectos. Tang dichos defectos también permitirían utilizar partículas catódicas más grandes que los cristales a nanoescala para ayudar a mejorar la densidad de energía y reducir la degradación de la superficie.
"Una predicción interesante del modelo es que esta configuración óptima de defectos depende de la forma de las partículas", dijo, "vimos que las facetas de cierta orientación podrían hacer que los desvíos sean más efectivos en el transporte de iones de litio. Por lo tanto, ustedquerrá tener más de estas facetas expuestas en la superficie del cátodo "
Tang dijo que el modelo podría aplicarse como una estrategia general para mejorar los compuestos de baterías que cambian de fase.
"Para los materiales estructurales como el acero y la cerámica, las personas juegan con defectos todo el tiempo para fortalecer los materiales", dijo. "Pero no hemos hablado mucho sobre el uso de defectos para hacer mejores materiales de batería. Por lo general, las personas ven los defectos comomolestias a eliminar
"Pero creemos que podemos convertir los defectos en amigos, no en enemigos, para un mejor almacenamiento de energía"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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