Los científicos están más cerca de comprender exactamente lo que sucede dentro de las baterías que los hace propensos a disparar, gracias a una especie de ojo molecular.
Los científicos del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. Se unieron a investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de los EE. UU. Para estudiar las reacciones químicas que ocurren cuando dos componentes clave de la interfaz de la batería forman un componente crítico en la batería comúnmente conocido comola interfase de electrolitos sólidos, o SEI.
La comprensión de la química y el mecanismo de formación de este SEI es la clave para desbloquear futuras baterías mejores, dijeron los investigadores. Esta nueva investigación, habilitada por una técnica que sirve como un ojo molecular, presenta una imagen dinámica de la química y la estructura del SEI.
Se sabe que estas propiedades influyen en la velocidad de carga y descarga de la batería, especialmente a baja temperatura, seguridad y vida útil del ciclo, según el científico del ejército Dr. Oleg Borodin, un investigador con un equipo centrado en la electroquímica.
"Los SEI son críticos para las propiedades de la batería pero difícil de caracterizar", dijo el Dr. Kang Xu, investigador principal de este proyecto de investigación. "Dictan qué tan rápido se puede cargar una batería para los Warfighters para mejorar las capacidades operativas ypreviniendo la falla lenta y abrupta de la batería durante la misión. Pero al igual que los asuntos oscuros, todos saben que existen, pero nadie sabe cómo funcionan ".
Hace casi cuatro años, los científicos de ARL comenzaron a colaborar con expertos "que no son personas con batería", dijo Xu, pero tienen una experiencia única en técnicas de caracterización avanzadas. Dijo que los investigadores del Ejército establecieron los desafíos básicos que enfrentan para comprender las SEI y pidieronayuda. Esta colaboración resultó en una serie de trabajos innovadores en SEI, y algunos de los resultados ya se han publicado en Química de la naturaleza y Nanotecnología de la naturaleza en 2018 y 2019.
Su último trabajo aparece en el artículo, Caracterización espectrométrica de masas en tiempo real de la interfase de electrolitos sólidos de una batería de iones de litio, publicado el 27 de enero de 2020 Nanotecnología de la naturaleza , una revista científica revisada por pares.
Los científicos del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales y del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico desarrollaron esta técnica, una espectrometría de masas de iones secundarios líquidos in situ y se asociaron con científicos del Ejército para aplicar esta técnica en la investigación del funcionamiento químico en la interfaz electrodo-electrolito a nivel molecularcuando la batería se cargó en su primera hora. Monitorearon la formación del SEI y su variación química. El enfoque les permitió mapear las reacciones químicas a medida que ocurrían. Cuando se combinaron con simulaciones de dinámica molecular, su trabajo reveló algo que solo había sidoespeculó antes
Durante la carga inicial de la batería, la batería forma una doble capa eléctrica en la interfaz electrodo / electrolito. La creación de esta doble capa conduce a finas variaciones estructurales y químicas de SEI, que eventualmente dictarán el rendimiento de la batería en sí.El nivel de comprensión de la interfaz podría servir como guía perspicaz para los esfuerzos de los científicos del Ejército en el diseño de mejores baterías
Estos investigadores encuentran que antes de que ocurra cualquier química interfásica durante la carga inicial, se forma una doble capa eléctrica en la interfaz electrodo / electrolito debido al autoensamblaje de moléculas de disolvente. La formación de la doble capa está dirigida por Li + yEl potencial de la superficie del electrodo. La estructura de esta doble capa predice la química interfásica eventual; en particular, la superficie del electrodo con carga negativa repele los aniones de sal de la capa interna y da como resultado un SEI interno que es de naturaleza delgada, densa e inorgánica.Esta capa densa que es responsable de conducir los electrones aislantes y Li +, las funciones principales del SEI. Una capa externa permeable a los electrolitos y rica en materia orgánica aparece después de la formación de la capa interna. En presencia de una capa altamente concentrada, rica en fluoruroelectrolito, la capa interna de SEI tiene una concentración elevada de LiF debido a la presencia de aniones en la doble capa. Estas observaciones en tiempo real a nanoescalaser útil para diseñar mejores interfases para futuras baterías.
Durante décadas, los científicos trataron de estudiar los SEI en baterías de iones de litio, con un éxito limitado debido a la ausencia de una técnica que les permitiera ver las operaciones de la batería a pequeña escala. Estas observaciones a nanoescala a nivel molecular son necesarias paraentender la química en la interfaz
En 2017, investigadores del Ejército asociados con la Universidad de Maryland desarrollaron por primera vez una batería de iones de litio que utiliza una solución de sal de agua como electrolito y alcanza la marca de 4.0 voltios deseada para la electrónica doméstica, como las computadoras portátiles, sinlos riesgos de incendio y explosión asociados con algunas baterías de iones de litio no acuosas disponibles comercialmente. La mayoría de las baterías disponibles comercialmente son diferentes de las baterías acuosas inventadas por este equipo. Comprender el SEI podría conducir a mejorar gradualmente la tecnología actual como una solución inmediatapara muchas aplicaciones del Ejército
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Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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