Un equipo de científicos liderado por el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ha capturado en tiempo real cómo se mueven los iones de litio en titanato de litio LTO, un material de electrodo de batería de carga rápida hecho de litio, titanio y oxígeno. Descubrieron que las disposiciones distorsionadas de litio y los átomos circundantes en los "intermedios" de LTO estructuras de LTO con una concentración de litio entre la de sus estados inicial y final proporcionan un "carril rápido" para el transporte de litioiones. Su descubrimiento, publicado en la edición del 28 de febrero de ciencia , podría proporcionar información sobre el diseño de materiales de batería mejorados para la carga rápida de vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos de consumo portátiles, como teléfonos celulares y computadoras portátiles.
"Considere que solo toma unos minutos llenar el tanque de gasolina de un automóvil, pero unas pocas horas para cargar la batería de un vehículo eléctrico", dijo el coautor corresponsal Feng Wang, científico de materiales en Ciencias Interdisciplinarias del Laboratorio BrookhavenDepartamento: "Descubrir cómo hacer que los iones de litio se muevan más rápido en los materiales de los electrodos es un gran problema, ya que puede ayudarnos a construir mejores baterías con un tiempo de carga muy reducido".
Las baterías de iones de litio funcionan mezclando iones de litio entre un electrodo positivo y negativo cátodo y ánodo a través de un medio químico llamado electrolito. El grafito se emplea comúnmente como el ánodo en las baterías de iones de litio de última generación.pero para aplicaciones de carga rápida, LTO es una alternativa atractiva. LTO puede acomodar iones de litio rápidamente, sin sufrir chapado de litio la deposición de litio en la superficie del electrodo en lugar de internamente.
Como LTO acomoda litio, se transforma de su fase original Li 4 Ti 5 O 12 a una fase final Li 7 Ti 5 O 12 , ambos con baja conductividad de litio.Por lo tanto, los científicos se han quedado perplejos sobre cómo LTO puede ser un electrodo de carga rápida.Conciliar esta aparente paradoja requiere conocer cómo se difunden los iones de litio en las estructuras intermedias de LTO aquellas con una concentración de litio entre la de Li 4 Ti 5 O 12 y Li 7 Ti 5 O 12 , en lugar de una imagen estática derivada únicamente de las fases inicial y final.Pero realizar tal caracterización es una tarea no trivial.Los iones de litio son ligeros, lo que los hace esquivos a las técnicas de sondeo tradicionales basadas en electrones o rayos X, especialmente cuando los iones se mezclan rápidamente dentro de los materiales activos, como las nanopartículas LTO en un electrodo de batería en funcionamiento.
En este estudio, los científicos pudieron rastrear la migración de iones de litio en nanopartículas LTO en tiempo real mediante el diseño de una celda electroquímica para operar dentro de un microscopio electrónico de transmisión TEM. Esta celda electroquímica permitió al equipo conducir energía electrónica.espectroscopía de pérdida EELS durante la carga y descarga de la batería. En EELS, el cambio en la energía de los electrones después de haber interactuado con una muestra se mide para revelar información sobre los estados químicos locales de la muestra. Además de ser altamente sensible a los iones de litio, EELS, cuando se lleva a cabo dentro de un TEM, proporciona la alta resolución en el espacio y el tiempo necesarios para capturar el transporte de iones en nanopartículas.
"El equipo abordó un desafío múltiple en el desarrollo de la celda electroquímicamente funcional, haciendo que el ciclo de la celda sea como una batería normal mientras se asegura de que sea lo suficientemente pequeño como para caber en el espacio de muestra de tamaño milimétrico de la columna TEM", dijo co-autor y científico principal Yimei Zhu, que dirige el Grupo de Microscopía Electrónica y Nanoestructura en la División de Ciencia de Materiales y Física de la Materia Condensada de Brookhaven CMPMS. "Para medir las señales EELS del litio, se necesita una muestra muy delgada, más allá de lo que normalmente se requierepara la transparencia de los electrones de sondeo en TEM ".
Los espectros EELS resultantes contenían información sobre la ocupación y el entorno local de litio en varios estados de LTO a medida que avanzaban la carga y descarga. Para descifrar la información, los científicos del grupo de Investigación en Diseño Computacional y Experimental de Materiales Emergentes CEDER en Berkeley yEl Centro de Nanomateriales Funcionales CFN de Brookhaven simuló los espectros. Sobre la base de estas simulaciones, determinaron la disposición de los átomos entre miles de posibilidades. Para determinar el impacto de la estructura local en el transporte de iones, el grupo CEDER calculóBarreras energéticas de la migración de iones de litio en LTO, utilizando métodos basados en la mecánica cuántica.
"El modelado computacional fue muy importante para comprender cómo el litio puede moverse tan rápido a través de este material", dijo el coautor corresponsal y líder del grupo CEDER Gerbrand Ceder, profesor del canciller en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en UC Berkeley y una facultad séniorcientífico de la División de Ciencia de Materiales en Berkeley Lab. "A medida que el material absorbe litio, la disposición atómica se vuelve muy compleja y difícil de conceptualizar con ideas simples de transporte. Los cálculos pudieron confirmar que la acumulación de iones de litio los hace altamente móviles."
"Un aspecto importante de este trabajo fue la combinación de experimento y simulación, ya que las simulaciones pueden ayudarnos a interpretar datos experimentales y desarrollar una comprensión mecanicista", dijo el coautor Deyu Lu, físico del Grupo de Teoría y Computación de CFN."La experiencia en espectroscopía computacional que hemos desarrollado en CFN a lo largo de los años juega un papel importante en este proyecto colaborativo de usuarios para identificar huellas digitales espectrales clave en EELS y desentrañar su origen físico en estructuras atómicas y sus propiedades electrónicas".
El análisis del equipo reveló que LTO tiene configuraciones intermedias metaestables en las que los átomos no están localmente en su disposición habitual. Estas distorsiones "poliédricas" locales reducen las barreras de energía, proporcionando una vía a través de la cual los iones de litio pueden viajar rápidamente.
"A diferencia del gas que fluye libremente hacia el tanque de gasolina de su automóvil, que es esencialmente un recipiente vacío, el litio debe" abrirse paso "en LTO, que no es una estructura completamente abierta", explicó Wang. "Para introducir el litio, LTOse transforma de una estructura a otra. Normalmente, una transformación de dos fases de este tipo lleva tiempo, lo que limita la capacidad de carga rápida. Sin embargo, en este caso, el litio se acomoda más rápido de lo esperado porque las distorsiones locales en la estructura atómica de LTO crean más aperturaespacio a través del cual el litio puede pasar fácilmente. Estas vías altamente conductoras ocurren en los abundantes límites existentes entre las dos fases ".
A continuación, los científicos explorarán las limitaciones de la LTO, como la generación de calor y la pérdida de capacidad asociadas con el ciclismo a altas velocidades, para aplicaciones reales. Al examinar cómo se comporta la LTO después de absorber y liberar repetidamente litio a diferentes velocidades de ciclismo,Esperamos encontrar soluciones para estos problemas. Este conocimiento informará el desarrollo de materiales de electrodos prácticamente viables para baterías de carga rápida.
"Los esfuerzos interinstitucionales que combinan espectroscopía in situ, electroquímica, computación y teoría en este trabajo establecieron un modelo para realizar investigaciones futuras", dijo Zhu.
"Esperamos examinar los comportamientos de transporte en electrodos de carga rápida más de cerca al adaptar nuestra célula electroquímica recientemente desarrollada a los potentes microscopios de electrones y rayos X en el CFN de Brookhaven y la Fuente de luz nacional sincrotrón II NSLS-II de Brookhaven", dijoWang. "Al aprovechar estas herramientas de última generación, podremos obtener una visión completa del transporte de litio en las estructuras locales y a granel de las muestras durante el ciclo en tiempo real y en condiciones de reacción del mundo real".
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