Durante años, los investigadores han tenido como objetivo aprender más sobre un grupo de óxidos metálicos que se muestran prometedores como materiales clave para la próxima generación de baterías de iones de litio debido a su misteriosa capacidad para almacenar significativamente más energía de la que debería ser posible. Una investigación internacionalEl equipo, codirigido por la Universidad de Texas en Austin, ha descifrado el código de esta anomalía científica, derribando una barrera para la construcción de sistemas de almacenamiento de energía de batería ultrarrápidos.
El equipo descubrió que estos óxidos metálicos poseen formas únicas de almacenar energía más allá de los mecanismos de almacenamiento electroquímicos clásicos. La investigación, publicada en Materiales naturales , encontró varios tipos de compuestos metálicos con hasta tres veces la capacidad de almacenamiento de energía en comparación con los materiales comunes en las baterías de iones de litio disponibles comercialmente en la actualidad.
Al decodificar este misterio, los investigadores están ayudando a desbloquear baterías con mayor capacidad de energía. Eso podría significar baterías más pequeñas y más potentes capaces de cargar rápidamente todo, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos.
"Durante casi dos décadas, la comunidad de investigadores ha estado perpleja por las capacidades anormalmente altas de estos materiales más allá de sus límites teóricos", dijo Guihua Yu, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica Walker en la Escuela de Ingeniería Cockrell y uno de loslos líderes del proyecto. "Este trabajo demuestra la primera evidencia experimental que demuestra que la carga adicional se almacena físicamente dentro de estos materiales a través del mecanismo de almacenamiento de carga espacial".
Para demostrar este fenómeno, el equipo encontró una manera de monitorear y medir cómo cambian los elementos con el tiempo. Investigadores de UT, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad de Waterloo en Canadá, la Universidad de Shandong en China, la Universidad de Qingdao en China yla Academia China de Ciencias participó en el proyecto.
En el centro del descubrimiento están los óxidos de metales de transición, que son compuestos que incluyen oxígeno enlazado con metales de transición como hierro, níquel y zinc. La energía se puede almacenar dentro de los óxidos metálicos, a diferencia de los métodos típicos que ven el litioLos iones entran y salen de estos materiales o convierten sus estructuras cristalinas para el almacenamiento de energía. Y los investigadores muestran que la capacidad de carga adicional también se puede almacenar en la superficie de las nanopartículas de hierro formadas durante una serie de procesos electroquímicos convencionales.
Una amplia gama de metales de transición puede desbloquear esta capacidad adicional, según la investigación, y comparten un hilo común: la capacidad de recolectar una alta densidad de electrones. Estos materiales aún no están listos para el horario de máxima audiencia, dijo Yu., principalmente debido a la falta de conocimiento sobre ellos. Pero los investigadores dijeron que estos nuevos hallazgos deberían contribuir en gran medida a arrojar luz sobre el potencial de estos materiales.
La técnica clave empleada en este estudio, llamada magnetometría in situ, es un método de monitoreo magnético en tiempo real para investigar la evolución de la estructura electrónica interna de un material. Es capaz de cuantificar la capacidad de carga midiendo variaciones en el magnetismo. Esta técnicase puede utilizar para estudiar el almacenamiento de carga a una escala muy pequeña que está más allá de las capacidades de muchas herramientas de caracterización convencionales.
"Los resultados más significativos se obtuvieron a partir de una técnica comúnmente utilizada por los físicos, pero muy raramente en la comunidad de baterías", dijo Yu. "Esta es una muestra perfecta de una hermosa unión de la física y la electroquímica".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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