Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego han descubierto nuevos conocimientos fundamentales para el desarrollo de baterías de metal de litio que funcionan bien a temperaturas ultrabajas; principalmente, que cuanto más débil sea el electrolito que retiene los iones de litio, mejor.electrolito de unión, los investigadores desarrollaron una batería de metal de litio que se puede recargar repetidamente a temperaturas tan bajas como -60 grados Celsius, una novedad en el campo.
Los investigadores informan sobre su trabajo en un artículo publicado el 25 de febrero en Energía de la naturaleza .
En las pruebas, la batería de prueba de concepto retuvo el 84% y el 76% de su capacidad durante 50 ciclos a -40 y -60 grados Celsius, respectivamente. Dicho rendimiento no tiene precedentes, dijeron los investigadores.
Otras baterías de litio que se han desarrollado para su uso en temperaturas bajo cero son capaces de descargarse en el frío pero necesitan calor para cargarse. Eso significa que se debe llevar un calentador adicional a bordo para usar estas baterías en aplicaciones como el espacio exterior yexploración de aguas profundas. La nueva batería, por otro lado, se puede cargar y descargar a temperatura ultrabaja.
Este trabajo, una colaboración entre los laboratorios de los profesores de nanoingeniería de UC San Diego Ping Liu, Zheng Chen y Tod Pascal, presenta un nuevo enfoque para mejorar el rendimiento de las baterías de metal de litio a temperaturas ultrabajas. Hasta ahora se han realizado muchos esfuerzoscentrado en elegir electrolitos que no se congelen tan fácilmente y puedan mantener los iones de litio moviéndose rápidamente entre los electrodos. En este estudio, los investigadores de UC San Diego descubrieron que no se trata necesariamente de la rapidez con la que el electrolito puede mover los iones, sino de la facilidad con la que permiteretírelos y los depositará en el ánodo.
"Encontramos que la unión entre los iones de litio y el electrolito, y las estructuras que los iones toman en el electrolito, significan vida o muerte para estas baterías a baja temperatura", dijo el primer autor John Holoubek, un Ph.D. estudiante de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.
Los investigadores hicieron estos descubrimientos comparando el rendimiento de la batería con dos tipos de electrolitos: uno que se une débilmente a los iones de litio y otro que se une fuertemente. Las celdas de batería de metal de litio con el electrolito débilmente ligado funcionaron mejor en general a -60 grados Celsius;seguía funcionando con fuerza después de 50 ciclos. Por el contrario, las celdas con el electrolito de unión fuerte dejaron de funcionar después de solo dos ciclos.
Después de ciclar las celdas, los investigadores las desarmaron para comparar los depósitos de metal de litio en los ánodos. Las diferencias también fueron marcadas. Los depósitos eran suaves y uniformes en las celdas con el electrolito de unión débil, pero gruesos y con forma de aguja en elceldas con el electrolito fuertemente ligante.
Los detalles importan
Todas las diferencias en el rendimiento de la batería se reducen a interacciones a nanoescala, dijeron los investigadores. "La forma en que los iones de litio interactúan con el electrolito a nivel atómico no solo permite un ciclo sostenible a muy, muy baja temperatura, sino que también previene la formación de dendrita", dijo Chen.dicho.
Para entender por qué, el equipo analizó en detalle estas interacciones mediante simulaciones computacionales y análisis espectroscópicos. En uno de los electrolitos, llamado éter dietílico o DEE, los investigadores observaron estructuras moleculares que consisten en iones de litio débilmente unidos al entornomoléculas de electrolito. En el otro electrolito, llamado DOL / DME, los investigadores observaron estructuras que presentan una fuerte unión entre los iones y las moléculas de electrolito.
Estas estructuras y fuerzas de unión son importantes, dijeron los investigadores, porque en última instancia dictan cómo se deposita el litio en la superficie del ánodo a baja temperatura. En estructuras débilmente unidas como las observadas en el electrolito DEE, explicó Holoubek, los iones de litio pueden salir fácilmente de la superficie del ánodo.retención del electrolito, por lo que no se necesita mucha energía para que se depositen en cualquier lugar de la superficie del ánodo. Por eso los depósitos son suaves y uniformes en DEE. Pero en estructuras fuertemente adheridas, como las de DOL / DME, se necesita más energíapara extraer los iones de litio del electrolito. Como resultado, el litio preferirá depositarse donde la superficie del ánodo tiene un campo eléctrico extremadamente fuerte, en cualquier lugar donde haya una punta afilada. Y el litio continuará acumulándose en esa punta hasta que la celda se quede cortacircuitos. Esta es la razón por la que los depósitos son gruesos y dendríticos en DOL / DME.
"Descubrir los diferentes tipos de estructuras moleculares y atómicas que forma el litio, cómo el litio se coordina con ciertos átomos, estos detalles importan", dijo Pascal, quien dirigió los estudios computacionales. "Al comprender fundamentalmente cómo se unen estos sistemas,puede idear todo tipo de nuevos principios de diseño para la próxima generación de sistemas de almacenamiento de energía. Este trabajo demuestra el poder de la nanoingeniería, donde descubrir lo que sucede a pequeña escala permite el diseño de dispositivos a gran escala ".
cátodo compatible
Estos conocimientos fundamentales permitieron al equipo diseñar un cátodo que sea compatible con los electrolitos y el ánodo para un rendimiento a baja temperatura. Es un cátodo a base de azufre fabricado con materiales que son de bajo costo, abundantes y ambientalmente benignos, sin una transición costosase utilizan metales.
"La importancia de este trabajo es realmente doble", dijo Liu, cuyo laboratorio diseñó el cátodo y ha estado optimizando el rendimiento cíclico de dicho cátodo en DEE para condiciones normales. "Científicamente, presenta conocimientos que son contrarios asabiduría convencional. Tecnológicamente, es la primera batería recargable de metal de litio que puede entregar una densidad de energía significativa mientras funciona completamente a -60 C. Ambos aspectos presentan una solución completa para baterías de temperatura ultrabaja ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Liezel Labios. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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