Cuando las baterías de iones de litio se cargan demasiado rápido, el litio metálico se deposita en los ánodos. Esto reduce la capacidad y la vida útil de la batería e incluso puede destruir las baterías. Los científicos de la Universidad Técnica de Munich TUM y el Forschungszentrum Jülich han presentado ahoraun proceso que, por primera vez, permite que este llamado proceso de recubrimiento de litio se investigue directamente. Esto pone a su alcance nuevas estrategias para estrategias de carga rápida.
El recubrimiento de litio, el depósito de litio metálico en los ánodos de las baterías de iones de litio, es uno de los factores principales que limita la corriente de carga. El rendimiento de las baterías sufre significativamente de estos depósitos metálicos. En casos extremos esto puede provocar cortocircuitose incluso las baterías en llamas.
Al cargar las baterías, los iones de litio cargados positivamente se mueven a través de los electrolitos líquidos y se depositan en los ánodos de grafito poroso. Sin embargo, cuanto mayor sea la corriente y menor la temperatura, mayor será la probabilidad de que los iones de litio no se depositen dentrolos electrodos, según se desee, sino más bien como una capa metálica sólida en la superficie exterior.
La evidencia indirecta no sirve a la meta
Aunque este fenómeno es básicamente conocido, muchos aspectos permanecen envueltos en misterio. Hasta ahora, no era posible observar directamente cómo y bajo qué circunstancias tiene lugar el enchapado de litio ". Utilizando los métodos tradicionales de microscopía, solo podemos observaruna batería después del hecho, porque necesita ser abierta ", explica el Dr. Josef Granwehr en el Instituto de Investigación de Energía y Clima de Jülich." En el proceso, las reacciones adicionales que distorsionan los resultados se vuelven inevitables ".
Incluso los procesos altamente desarrollados como la dispersión de neutrones solo permiten análisis indirectos. Para agravar el problema está el hecho de que los espacios disponibles para mediciones en reactores de investigación y aceleradores de partículas grandes son escasos. Esto hace que estas herramientas sean más adecuadas para investigaciones fundamentales que para trabajos tediosos y prácticosserie de pruebas.
Los electrones muestran el camino
El proceso de espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica EPR presentado en la revista científica Materiales hoy por otro lado, puede integrarse fácilmente en los procedimientos de laboratorio, con una inversión moderada. El método es similar a la espectroscopía de resonancia magnética nuclear RMN más conocida, aunque se centra en espines de electrones en lugar de núcleos atómicos.
"Los electrones se colocan en un campo magnético estático aplicado externamente", explica Granwehr. Los electrones no apareados en la muestra son "sondeados" usando microondas. En el campo magnético, estos estimulan los electrones para que se muevan, lo cual puede medirse mediante elcaída asociada en la intensidad de radiación de microondas. EPR puede diferenciar entre el revestimiento de litio metálico y el litio incrustado en los ánodos de grafito.
La celda de prueba es la clave
"La clave para detectar el revestimiento de litio usando EPR fue la construcción de una celda de prueba compatible con los requisitos de la espectroscopía EPR y al mismo tiempo exhibir buenas propiedades electroquímicas", explica el autor principal, el Dr. Johannes Wandt. "La geometría también es importante. Los resultados de medición precisos dependen de que la muestra esté expuesta al campo magnético, pero no del campo eléctrico inevitablemente presente ".
Para garantizar esto, Wandt desarrolló una celda en forma de varilla mientras era candidato a doctorado en el grupo del Prof. Hubert A. Gasteiger, Presidente de Electroquímica Técnica en TUM, que permite detectar la formación de litio metálico directamente y conprecisión cuantitativa
La estrategia correcta para una carga rápida
"Utilizando este proceso, ahora es posible por primera vez investigar el enchapado de litio y los procesos asociados de una manera diferenciada que sea relevante para toda una gama de aplicaciones", dice Rüdiger-A. Eichel, director del JülichInstituto de Investigación de Energía y Clima.
"Un ejemplo es el desarrollo de protocolos seguros y al mismo tiempo de carga rápida", explica Rüdiger-A. Eichel. Nuestro proceso hace posible determinar la corriente de carga máxima antes de que se establezca el enchapado de litio, así como determinar otras condiciones límite comotemperatura y la influencia de la geometría del electrodo "
Más allá de esto, la metodología es muy adecuada como procedimiento de prueba para una variedad de materiales de batería, por ejemplo, el desarrollo de nuevos aditivos que suprimen el revestimiento de litio.
La investigación fue financiada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania BMBF en el contexto del proyecto ExZellTUM II y el Ministerio de Asuntos Económicos y Medios, Energía y Tecnología del Estado de Baviera en el contexto del proyecto EEBatt. El EEBattEl proyecto forma parte del programa prioritario "TUM.Energy" coordinado por la Escuela de Ingeniería de Munich MSE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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