Los investigadores se han propuesto estudiar la cinética de la deposición de litio durante el ciclo en una batería. Cambiando diferentes parámetros, han encontrado que es bastante fácil poner el litio en forma amorfa, que es superior a nivel electromecánico.
Cuanto más amorfo se vuelve un metal, mejores son sus propiedades electroquímicas en una batería. Sin embargo, el ejemplo más destacado de la industria de las baterías, el litio, aparece principalmente en forma cristalina, lo que plantea una serie de problemas en su comportamiento en las baterías de iones de litio.
La producción de metales amorfos es particularmente difícil. Sin embargo, un equipo de investigadores del material de las baterías encontró recientemente una forma de crear metales amorfos, incluido el litio, en las baterías, más o menos por accidente. El equipo de los Laboratorios Nacionales de Idaho y de la Universidad de San Diego realizó una investigación sobre lo que sucede a nivel atómico durante los primeros momentos de recarga de una batería de iones de litio.
Los investigadores discutieron la reversibilidad electroquímica del litio en el “Ánodo metálico de Li Vítreo para baterías recargables de Li de alto rendimiento”, que se publicó recientemente en Nature Materials. Esta reversibilidad dicta la morfología del litio y sus propiedades eléctricas. Por lo tanto, comprender mejor este proceso puede conducir al desarrollo de baterías de mayor rendimiento.
Deposición lenta
Cuando una batería se pone en marcha, sus iones de litio se depositan en el ánodo. La primera etapa del proceso se conoce como nucleación, donde el primer tramo de iones metálicos forma un punto de partida a partir del cual crece el resto del grano de metal cristalino. Utilizando un microscopio electrónico de transmisión criogénica, el equipo consiguió visualizar por primera vez el depósito inicial de metal de litio en el ánodo. Como el litio se deposita en forma cristalina, es la nucleación primaria la que determina la forma en que el litio restante crece a su alrededor. Los investigadores han denominado a este proceso “crecimiento del embrión de litio”.
“Dependiendo de la interacción atómica durante la nucleación inicial (por ejemplo, la densidad de empaquetamiento del átomo, la transferencia de masa y la transferencia de energía), la nanoestructura de los núcleos de litio puede variar de desordenada a ordenada, lo que eventualmente da forma a la microestructura final y afecta el rendimiento”, según el artículo de Nature Materials.
Cuando el litio se vuelve demasiado cristalino, se carga de manera inconsistente, lo que posteriormente conduce a la formación de dendritas – el crecimiento de cristales de forma irregular. Tales dendritas acortan considerablemente la vida de la batería.
“El poder de las imágenes criogénicas para descubrir nuevos fenómenos en la ciencia de los materiales se muestra en este trabajo”, dijo Shirley Meng, quien dirigió el pionero trabajo de crio-microscopía de la UC San Diego. “Es un verdadero trabajo en equipo que nos permitió interpretar los datos experimentales con confianza porque el modelado computacional ayudó a descifrar la complejidad”.
Para sorpresa de los investigadores, sus experimentos les permiten observar por primera vez metal elemental amorfo puro. También pareció que las lentas tasas de carga ofrecen condiciones favorables para el crecimiento del litio amorfo. Anteriormente, los investigadores habían asumido que las tasas de carga más lentas llevarían a tasas de deposición más lentas, dando a los iones de litio más tiempo para encontrar una estructura ordenada en la que acomodarse, convirtiéndose así en litio cristalino desfavorable.
El entorno adecuado
Además de ajustar la corriente de carga para lograr tasas de deposición más lentas, los investigadores también utilizaron diferentes electrolitos. En un electrolito “base”, alrededor del 48% del litio asumió un estado amorfo. Pero al aplicar lo que los investigadores llamaron un electrolito avanzado, el 76% salió en forma amorfa. En ambos casos, el resto formó estructuras cristalinas.
Según la investigación, manipular los confines temporales y espaciales de la transferencia de masa y energía con diferentes estrategias podría producir depósitos de metal vítreo. Las estrategias incluyen métodos para reducir la densidad de corriente, diseñando composiciones electrolíticas avanzadas y empleando colectores de corriente tridimensionales.
“Estas estrategias son capaces de alterar la microestructura de masa de un electrodo de metal de Li y obtener depósitos de Li más grandes y más homogéneos con un mejor rendimiento de los ciclos”, dijeron los investigadores.
El equipo de investigación también ha identificado otros metales como potencialmente interesantes para la industria de las baterías. Entre ellos se encuentran el sodio, el potasio, el manganeso y el zinc. Los metales amorfos no producen dendritas, por lo que pueden mejorar significativamente el ciclo de vida de las baterías, además de sus otras propiedades electroquímicas mejoradas.
“Estos nuevos metales activos amorfos abrirán nuevas oportunidades en diversas aplicaciones además del vidrio metálico y los campos de almacenamiento de energía, incluyendo la biomedicina, la nanotecnología y los sistemas micro electromecánicos”, concluyeron los investigadores.
Noticia tomada de: PV Magazine / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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