Las primeras horas de vida de una batería de iones de litio determinan en gran medida qué tan bien funcionará. En esos momentos, un conjunto de moléculas se autoensambla en una estructura dentro de la batería que afectará a la batería en los próximos años.
Este componente, conocido como la interfase de electrolitos sólidos o SEI, tiene el trabajo crucial de bloquear algunas partículas mientras permite que otras pasen, como un gorila de taberna que rechaza los indeseables mientras deja entrar a los glitterati. La estructura ha sido un enigma para los científicos queLo han estudiado durante décadas.Los investigadores han aprovechado múltiples técnicas para aprender más, pero nunca, hasta ahora, habían presenciado su creación a nivel molecular.
Saber más sobre SEI es un paso crucial en el camino hacia la creación de baterías de iones de litio más energéticas, duraderas y seguras.
El trabajo publicado el 27 de enero en Nanotecnología de la naturaleza fue realizado por un equipo internacional de científicos dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de los EE. UU. Y el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. Los autores correspondientes incluyen a Zihua Zhu, Chongmin Wang y Zhijie Xu de PNNL y Kang Xu del Ejército de EE. UU.Laboratorio de investigación.
Por qué funcionan las baterías de iones de litio: el SEI
La interfase de electrolito sólido es una película muy delgada de material que no existe cuando se construye una batería por primera vez. Solo cuando la batería se carga por primera vez, las moléculas se agregan y reaccionan electroquímicamente para formar la estructura, que actúacomo una puerta de entrada que permite que los iones de litio pasen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. Fundamentalmente, el SEI obliga a los electrones a tomar un desvío, lo que mantiene la batería en funcionamiento y hace posible el almacenamiento de energía.
Es gracias al SEI que tenemos baterías de iones de litio para alimentar nuestros teléfonos celulares, computadoras portátiles y vehículos eléctricos.
Pero los científicos necesitan saber más sobre esta estructura de entrada. ¿Qué factores separan a los glitterati de la gentuza en una batería de iones de litio? ¿Qué sustancias químicas deben incluirse en el electrolito, y en qué concentraciones, para que las moléculas se formen enlas estructuras SEI más útiles para que no absorban continuamente moléculas del electrolito, dañando el rendimiento de la batería?
Los científicos trabajan con una variedad de ingredientes, prediciendo cómo se combinarán para crear la mejor estructura. Pero sin más conocimiento sobre cómo se crea la interfase de electrolitos sólidos, los científicos son como chefs haciendo malabarismos con los ingredientes, trabajando con libros de cocina que están escritos solo parcialmente.
Explorando baterías de iones de litio con nueva tecnología
Para ayudar a los científicos a comprender mejor el SEI, el equipo utilizó la tecnología patentada de PNNL para analizar la estructura tal como se creó. Los científicos utilizaron un haz de iones energéticos para hacer un túnel en un SEI que se estaba formando en una batería en funcionamiento, enviando parte del materialen el aire y capturarlo para su análisis mientras se basa en la tensión superficial para ayudar a contener el electrolito líquido. Luego, el equipo analizó los componentes del SEI utilizando un espectrómetro de masas.
El enfoque patentado, conocido como espectrometría de masas de iones secundarios líquidos in situ o SIMS líquido, permitió al equipo obtener una visión sin precedentes del SEI mientras se formaba y eludir los problemas presentados por una batería de iones de litio en funcionamiento. La tecnología fue creada porun equipo dirigido por Zhu, basado en el trabajo anterior de SIMS del colega de PNNL Xiao-Ying Yu.
"Nuestra tecnología nos brinda una sólida comprensión científica de la actividad molecular en esta compleja estructura", dijo Zhu. "Los hallazgos podrían ayudar a otros a adaptar la química del electrolito y los electrodos para fabricar mejores baterías".
los investigadores del Ejército de los EE. UU. Y la PNNL colaboran
El equipo de PNNL se conectó con Kang Xu, un investigador del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Y experto en electrolitos y el SEI, y juntos abordaron la pregunta.
Los científicos confirmaron lo que los investigadores sospechaban: que el SEI se compone de dos capas. Pero el equipo fue mucho más allá, especificando la composición química precisa de cada capa y determinando los pasos químicos que ocurren en una batería para producirla estructura.
El equipo descubrió que una capa de la estructura, al lado del ánodo, es delgada pero densa; esta es la capa que repele los electrones pero permite que pasen los iones de litio. La capa externa, justo al lado del electrolito, es más gruesa ymedia las interacciones entre el líquido y el resto del SEI. La capa interna es un poco más dura y la externa posterior es más líquida, un poco como la diferencia entre la avena poco cocida y demasiado cocida.
El papel del fluoruro de litio
Un resultado del estudio es una mejor comprensión del papel del fluoruro de litio en el electrolito utilizado en las baterías de iones de litio. Varios investigadores, incluido Kang Xu, han demostrado que las baterías con SEI más ricas en fluoruro de litio funcionan mejor. El equipo mostrócómo el fluoruro de litio se convierte en parte de la capa interna del SEI, y los hallazgos ofrecen pistas sobre cómo incorporar más flúor en la estructura.
"Con esta técnica, aprendes no solo qué moléculas están presentes, sino también cómo están estructuradas", dice Wang. "Esa es la belleza de esta tecnología".
La parte PNNL de la investigación publicada en Nature Nanotechnology fue financiada por PNNL, la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE y la Cooperación entre Estados Unidos y Alemania sobre almacenamiento de energía. El trabajo de Kang Xu fue financiado por la Oficina Conjunta de Ciencias del DOECenter for Energy Storage Research. El análisis de SIMS líquido se realizó en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en PNNL.
Además de Xu, Wang y Zhu, los autores de PNNL incluyen a Yufan Zhou, Mao Su, Xiafei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer y Yingge Du.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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