Desde teléfonos celulares hasta computadoras portátiles y tabletas, las baterías de iones de litio alimentan la mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles actuales. Comprender cómo estas baterías almacenan y liberan energía a medida que se cargan y descargan es fundamental para mejorar su rendimiento y aumentar su longevidad, especialmente para alta potenciaaplicaciones tales como vehículos eléctricos y redes eléctricas inteligentes. Sin embargo, visualizar las vías de reacción a escala atómica involucradas en la descarga de la batería ha sido difícil debido a la alta sensibilidad requerida para detectar los cambios estructurales locales correspondientes en los materiales de la batería de un tamaño de mil millonésimas de metro..
Ahora, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Maryland, College Park, ha desarrollado una técnica de microscopía electrónica para visualizar, en tiempo real y enalta resolución: tales vías. Los científicos utilizaron esta técnica avanzada, descrita en a Comunicaciones de la naturaleza artículo publicado el 9 de mayo, para observar la descarga de una celda de batería de iones de litio que contiene nanopartículas de magnetita, un material económico, no tóxico, de alta conducción y alta energía. Estos mecanismos de descarga se correlacionaron con la bateríatasas de descarga. Los hallazgos del equipo sobre cómo migra el litio a nanoescala podrían ayudar a mejorar el rendimiento electroquímico de materiales de electrodos comparables en baterías de iones de litio.
"Comprender cómo los iones de litio penetran y se mueven en las nanopartículas de magnetita puede ayudarnos a diseñar racionalmente nuevos nanoelectrodos para baterías de iones de litio de alto rendimiento", dijo Dong Su, científico del Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab, una Oficina de Ciencia del DOEFacilidad de usuario, que dirigió esta investigación.
Imágenes de la litiación de nanopartículas de magnetita
Para visualizar cómo evoluciona la estructura de la magnetita durante el proceso de descarga o litiación, los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión de exploración de campo brillante sensible a la tensión. En esta técnica, un detector de "campo brillante" en la parte inferior del microscopiorecoge electrones transmitidos a través de una muestra, produciendo una imagen de contraste en la que las regiones sin muestra en la trayectoria del haz de electrones aparecen brillantes mientras que las regiones más gruesas de la muestra aparecen oscuras. El contraste de esta imagen es sensible a la tensión, o las microforzas, que producencambios estructurales locales muy pequeños en una muestra. En este caso, los científicos insertaron iones de litio en nanopartículas de magnetita individuales, observando cómo evoluciona la estructura de cada nanopartícula a lo largo de las fases de litiación.
Si bien se sabe que la litiación de magnetita y otros óxidos metálicos con estructura similar se produce como una reacción secuencial de dos pasos de intercalación inserción de iones de litio en el compuesto y conversión descomposición del compuesto, la reacción de intercalación había sido imposiblevisualizar.
"Durante la intercalación, el volumen del volumen de la red de nanopartículas de magnetita cambia solo en un pequeño porcentaje porque los iones de litio insertados simplemente llenan los espacios vacíos dentro de la red. En comparación, la conversión es mucho más fácil de ver: no hay espacios vacíos paraacomodar el litio, por lo que la red no tiene más remedio que expandirse, rompiendo el material del electrodo en algunos casos ", explicó Su." Nuestro equipo es el primero en capturar los cambios de fase que ocurren en las nanopartículas durante la reacción de intercalación ".
Determinación de las vías de reacción de litiación
Al analizar las imágenes resultantes del microscopio, los científicos descubrieron que la intercalación inicialmente sigue una secuencia de reacción de "inserción y expansión" de dos fases. Los iones de litio primero se difunden en la superficie de la nanopartícula y luego proceden hacia adentro. Bajo ciertas condiciones actuales, la litiación adicionalconduce a la reacción de conversión y la coexistencia de tres fases distintas dentro de una sola nanopartícula de magnetita: magnetita pura Fe3O4, sal de roca litiada LixFe3O4 y un compuesto de hierro metálico Fe y óxido de litio Li2O.
El equipo utilizó una microscopía electrónica de transmisión de alta resolución ex situ para rastrear estos cambios estructurales atómicos y confirmar que no se limitaban a una sola nanopartícula, sino que eran característicos de toda la celda de la batería. Patrones producidos por la difracción de rayos X enmuestras de nanopartículas, un experimento realizado en el National Synchrotron Light Source II, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven Lab, verificó las fases de magnetita pura y rocas salinas litiadas que ocurren durante la intercalación.
"Esta reacción de inhomogeneidad dentro de una sola partícula significa que la intercalación y la conversión están ocurriendo simultáneamente en el curso medio del proceso de litiación", dijo Kai He, primer autor de este artículo y ex investigador postdoctoral de CFN ahora miembro de la facultad de investigación en NorthwesternUniversidad. "La gran concentración de litio en la superficie de la partícula podría desencadenar la conversión desde el principio, mientras que la intercalación aún no se ha completado".
Dadas las leyes de la termodinámica, las dos reacciones deben ocurrir a diferentes voltajes debido a las diferencias en su química natural. La superposición observada entre las dos reacciones sugiere que el efecto cinético, o cómo las corrientes de carga o descarga afectan la cantidad de energía que puedeser almacenado dentro de una batería, juega un papel importante en la litiación.
A altas velocidades de descarga, por ejemplo, la reacción de intercalación ocurre mucho más rápido que la reacción de conversión. Sin embargo, la conversión acomoda más iones de litio debido a los sitios de unión posibles por el desplazamiento de iones de hierro. Por lo tanto, ambas reacciones son importantes cuando se considera elcapacidad total de inserción de litio de una batería y, por lo tanto, su tasa general de almacenamiento de energía.
"El efecto cinético afecta el rendimiento de la batería. En general, se acepta que cargar lentamente una batería a una corriente más baja maximiza la capacidad de energía. Pero para optimizar el rendimiento para aplicaciones de alta potencia, necesitamos entender cómo se comporta la evolución de fase con una carga más rápida ydescargue y descubra cómo maximizar estas tasas sin sacrificar la densidad de energía ", explicó Christopher Murray, profesor de Química y Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Richard Perry en la Universidad de Pennsylvania, quien es el co-corresponsal del artículo.
El equipo usó modelos computacionales para describir la reacción en dos pasos, calculando el voltaje de descarga a diferentes concentraciones de litio y simulando el proceso de litiación en nanopartículas de magnetita. La simulación estuvo de acuerdo con la observación microscópica en tiempo real de fases de litiación mixtas, con el voltajedisminuyendo a medida que se inicia la conversión.
En el futuro, el equipo espera desarrollar un nuevo método para visualizar simultáneamente la evolución de fase y medir el rendimiento electroquímico correspondiente de los materiales de los electrodos en tiempo real.
"Nuestro objetivo final es encontrar nuevos materiales de electrodo para baterías de iones de litio que puedan almacenar mayores cantidades de carga y liberar energía más rápidamente que los materiales existentes actualmente como el grafito", dijo Sen Zhang, becario postdoctoral de NatureNet en el equipo de Murray ".Al permitirnos comprender el comportamiento cinético de los materiales de los electrodos a nanoescala, nuestra técnica nos ayudará a alcanzar este objetivo ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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