Se espera que las baterías de iones de litio tengan un valor de mercado global de $ 47 mil millones para 2023. Se usan en numerosas aplicaciones, porque ofrecen una densidad de energía relativamente alta capacidad de almacenamiento, alto voltaje de operación, larga vida útil y poca "memoria"efecto ": una reducción en la capacidad máxima de una batería recargable debido a descargas incompletas en usos anteriores. Sin embargo, factores como la seguridad, el ciclo de carga y descarga y la vida útil operativa continúan limitando la efectividad de las baterías de iones de litio en aplicaciones pesadas, como para alimentar vehículos eléctricos.
Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Virginia están empleando técnicas de imágenes de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge para sondear baterías de iones de litio y obtener información sobre las características electroquímicas de los materiales y estructuras de las baterías. Su investigación, publicada en el Diario de fuentes de energía centrado en el seguimiento de los procesos de litiación y delitiación, o carga y descarga, en electrodos de batería de iones de litio utilizando muestras sinterizadas finas y gruesas de dos materiales electroactivos, titanato de litio y óxido de cobalto de litio.
Comprender cómo se mueve el litio en los electrodos de la batería es importante para diseñar baterías que puedan cargarse y descargarse a velocidades más rápidas. En algunas baterías este es el proceso más lento, lo que significa que mejorar el movimiento del litio a través de los electrodos podría resultar en baterías que puedenrecargado mucho más rápido
"Cuando los electrodos son relativamente gruesos, el transporte de iones de litio a través del material poroso y la arquitectura del separador puede limitar las tasas de carga y descarga", dijo Gary Koenig, profesor asociado de ingeniería química en UVA Engineering. "Desarrollar métodos para mejorar el ión de litiopara transportar a través de las regiones vacías porosas de un electrodo llenas de electrolito, primero debemos ser capaces de rastrear el transporte y la distribución de los iones dentro de una celda durante los procesos de carga y descarga ".
Según Koenig, otras técnicas, como la difracción de rayos X de alta resolución, pueden proporcionar datos estructurales detallados durante los procesos electroquímicos, pero este método generalmente promedia volúmenes relativamente grandes del material. Del mismo modo, las imágenes de fase de rayos X pueden visualizar concentraciones de sal enelectrolitos de batería, pero la técnica requiere una celda espectroquímica especial y solo puede acceder a la información de composición entre las regiones del electrodo.
Para obtener información detallada en un área más amplia, los investigadores realizaron sus estudios utilizando neutrones en la línea de haz de imágenes de neutrones fríos en el Reactor de isótopos de alto flujo de Oak Ridge.
"El litio tiene un gran coeficiente de absorción para los neutrones, lo que significa que los neutrones que pasan a través de un material son muy sensibles a sus concentraciones de litio", dijo Ziyang Nie, autor principal y estudiante graduado en el grupo de Koenig. "Demostramos que podíamos usar radiografías de neutrones".para rastrear la litiación in situ en cátodos de óxido de metal delgado y grueso dentro de las celdas de la batería. Debido a que los neutrones son altamente penetrantes, no tuvimos que construir celdas personalizadas para el análisis y pudimos rastrear el litio en toda la región activa que contiene electrodos y electrolitos"
La comparación del proceso de litiación en electrodos finos y gruesos es esencial para ayudar a comprender los efectos de la heterogeneidad, variaciones locales en las propiedades mecánicas, estructurales, de transporte y cinéticas, sobre la vida útil y el rendimiento de la batería. La heterogeneidad local también puede provocarcorriente uniforme de la batería, temperaturas, estado de carga y envejecimiento. Por lo general, a medida que aumenta el grosor de un electrodo, también lo hacen los efectos perjudiciales de la heterogeneidad en el rendimiento de la batería. Sin embargo, si se pudieran utilizar ánodos y cátodos más gruesos en las baterías sin afectar otros factores,ayudaría a aumentar las capacidades de almacenamiento de energía.
Para los experimentos iniciales, las muestras de electrodos delgados tenían espesores de 0.738 mm para titanato de litio y 0.463 mm para óxido de cobalto de litio, mientras que las muestras de titanato de litio y óxido de cobalto de litio eran de 0.886 mm y 0.640 mm, respectivamente.
"Nuestro objetivo inmediato es desarrollar un modelo que nos ayude a comprender cómo modificar la estructura de un electrodo, como cambiar cómo se orienta o distribuye el material, podría mejorar las propiedades de transporte de iones", dijo Koenig. "Al obtener imágenes a través de cada muestraen diferentes momentos, pudimos crear mapas en 2-D de distribución de litio. En el futuro, planeamos rotar nuestras muestras dentro del haz de neutrones para proporcionar información en 3-D que revelará con más detalle cómo la heterogeneidad impacta el transporte de iones"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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