Los científicos han identificado la causa principal de falla en una batería de metal de litio de última generación, de interés para vehículos eléctricos de largo alcance. Utilizando rayos X de alta energía, siguieron los cambios inducidos por el ciclismo en miles dede diferentes puntos a lo largo de la batería y mapearon las variaciones en el rendimiento. En cada punto, utilizaron los datos de rayos X para calcular la cantidad de material del cátodo y su estado de carga local. Estos hallazgos, combinados con mediciones electroquímicas complementarias, les permitierondeterminar el mecanismo dominante que impulsa la pérdida de capacidad de la batería después de muchos ciclos de carga y descarga. Como informaron recientemente en Química de materiales , el agotamiento del electrolito líquido fue la causa principal de la falla. El electrolito transporta iones de litio entre los dos electrodos de la batería recargable ánodo y cátodo durante cada ciclo de carga y descarga.
"La gran ventaja de las baterías con ánodos hechos de metal de litio en lugar de grafito, el material que se usa típicamente en las baterías actuales, es su alta densidad de energía", explicó el autor correspondiente Peter Khalifah, designado conjuntamente en la División de Química del Departamento de EE. UU.of Energy DOE Brookhaven National Laboratory y el Departamento de Química de la Stony Brook University. "Aumentar la cantidad de energía que el material de una batería puede almacenar para una masa determinada es la mejor manera de ampliar la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos".
Desde 2017, el Consorcio Battery500, un grupo de laboratorios y universidades nacionales, ha estado trabajando para desarrollar ánodos de metal de litio de próxima generación con una densidad de energía tres veces mayor que la de las baterías automotrices actuales. Sin embargo, obtener metal de litioFuncionar bien como ánodo en una batería recargable de ciclo continuo con una alta densidad de energía es extremadamente desafiante. El metal de litio es muy reactivo, por lo que cada vez más se degrada a medida que la batería se cicla. Con el tiempo, estas reacciones de degradación consumen otras partes clave de la batería, como el electrolito líquido.
Al principio de su desarrollo, los ánodos de metal de litio de alta densidad de energía tenían una vida útil muy corta, típicamente 10 ciclos o menos. Los investigadores del Consorcio Battery500 mejoraron esta vida útil a 200 ciclos para la celda de batería estudiada en este trabajo y, más recientemente, a 400 ciclos en 2020. En última instancia, el consorcio busca lograr una vida útil de 1,000 ciclos o más para satisfacer las necesidades de los vehículos eléctricos.
"¿Cómo podemos hacer baterías de metal de litio de alta densidad de energía que tengan un ciclo más largo?", Dijo Khalifah. "Una forma de responder a esta pregunta es comprender el mecanismo de falla en una batería de" celda de bolsa "realista. Eso esdonde entra nuestro trabajo, apoyado por el Consorcio Battery500. "
Ampliamente utilizado en aplicaciones industriales, una celda de bolsa es una batería sellada de forma rectangular, que usa el espacio de manera mucho más eficiente que las celdas cilíndricas que alimentan los dispositivos electrónicos domésticos. Por lo tanto, es óptima para empacar dentro de vehículos. En este estudio, científicos del noroeste del Pacífico del DOEEl Laboratorio Nacional PNNL utilizó la Instalación de Baterías Avanzadas de PNNL para fabricar baterías de metal de litio en un prototipo de geometría de celda de bolsa con múltiples capas.
A continuación, los científicos del Laboratorio Nacional de Idaho INL del DOE realizaron pruebas electroquímicas en una de las celdas de bolsa multicapa. Encontraron que solo alrededor del 15 por ciento de la capacidad de la celda se perdió durante los primeros 170 ciclos, pero el 75 por ciento se perdió durante los siguientes25 ciclos. Para comprender esta rápida pérdida de capacidad cerca del final de la vida útil de la batería, extrajeron una de las siete capas de cátodos de la celda y la enviaron al laboratorio de Brookhaven para su estudio en la línea de luz de Difracción de Polvo de Rayos X XPD de National Synchrotron LightFuente II NSLS-II.
En XPD, los rayos X que golpean una muestra solo se reflejan en ciertos ángulos, produciendo un patrón característico. Este patrón de difracción proporciona información sobre muchos aspectos de la estructura de la muestra, incluido el volumen de su celda unitaria, la porción repetida más pequeña de laestructura - y las posiciones de los átomos dentro de la celda unitaria.
Aunque el equipo quería principalmente aprender sobre el ánodo de litio-metal, su patrón de difracción de rayos X es débil porque el litio tiene pocos electrones y no cambia mucho durante el ciclo de la batería permaneciendo como metal de litio.indirectamente probó cambios en el ánodo mediante el estudio de cambios estrechamente relacionados en el cátodo de óxido de cobalto, manganeso y litio NMC, cuyo patrón de difracción es mucho más fuerte.
"El cátodo sirve como un" reportero "para el ánodo", explicó Khalifah. "Si el ánodo comienza a fallar, sus problemas se reflejarán en el cátodo porque las regiones cercanas del cátodo no podrán tomar yliberar iones de litio. "
La línea de luz XPD jugó un papel fundamental en el experimento. Con su alta energía, los rayos X en esta línea de luz pueden penetrar completamente a través de las celdas de la batería, incluso aquellas de unos pocos milímetros de grosor. El detector de área bidimensional grande y de alta intensidad del hazpermitió a los científicos recopilar rápidamente datos de difracción de alta calidad para miles de puntos en la batería.
"En este país, NSLS-II es solo uno de los dos sincrotrones de rayos X adecuados para estudios de difracción de alta energía", explicó Khalifah. "Para cada punto, obtuvimos un patrón de difracción de alta resolución en aproximadamente un segundo, lo que permitenosotros mapeamos el área completa de la batería en dos horas, más de 100 veces más rápido que si los rayos X se generaran usando una fuente de rayos X de laboratorio convencional ".
La primera cantidad que mapearon fue el estado de carga SOC, la cantidad de energía restante en la batería en comparación con la energía que tenía cuando estaba "llena", para la capa de cátodo único. Un SOC al 100 por cientosignifica que la batería está completamente cargada y tiene la mayor cantidad de energía posible. Con el uso de la batería, este porcentaje disminuye. Por ejemplo, una computadora portátil que muestra un 80% de energía tiene un SOC del 80%. En términos químicos, el SOC corresponde al litiocontenido en el cátodo, donde el litio se inserta y extrae de manera reversible durante el ciclo. A medida que se elimina el litio, el volumen de la celda unitaria del cátodo se contrae. Este volumen se puede determinar fácilmente a partir de las mediciones de difracción de rayos X, que por lo tanto son sensibles al SOC local en cadapunto. Cualquier región local donde el rendimiento se está degradando tendrá diferentes SOC del resto del cátodo.
Los mapas de SOC revelaron tres "hotspots", cada uno de unos pocos milímetros de diámetro, donde el rendimiento local era mucho peor que el del resto de la celda. Solo una parte del cátodo NMC en los hotspots tuvo problemas para ciclar; el restopermaneció sincronizado con la celda. Este hallazgo sugirió que la pérdida de capacidad de la batería se debió a la destrucción parcial del electrolito líquido, ya que la pérdida del electrolito "congelará" la batería en su SOC actual.
Otras posibles razones para la pérdida de capacidad de la batería - consumo del ánodo de litio-metal o pérdida gradual de iones de litio o conductividad electrónica a medida que se forman productos de degradación en la superficie del electrodo - no conducirían a la presencia simultánea de NMC activos e inactivoscátodo en los puntos calientes. Los experimentos de seguimiento dirigidos por miembros del equipo de INL en celdas de botón de batería más pequeñas diseñadas para fallar intencionalmente a través del agotamiento de electrolitos exhibieron el mismo comportamiento que esta celda de bolsa grande, lo que confirma el mecanismo de falla.
"El agotamiento de electrolitos fue el mecanismo de falla más consistente con los datos de rayos X y electroquímicos del sincrotrón", dijo Khalifah. "En muchas regiones de la celda, vimos que el electrolito se agotó parcialmente, por lo que el transporte de iones se volvió más difícil pero no imposible. Pero en los tres puntos calientes, el electrolito se agotó en gran medida, por lo que el ciclismo se volvió imposible ".
Además de señalar la ubicación de los puntos calientes donde la falla ocurría más rápidamente, los estudios de difracción de rayos X de sincrotrón también revelaron por qué ocurría la falla allí al proporcionar la cantidad de NMC presente en cada posición del cátodo.La falla generalmente tenía cantidades más pequeñas de NMC que el resto de la celda. Cuando hay menos cátodo de NMC, esa parte de la batería se carga y descarga más rápida y completamente, lo que hace que el electrolito se consuma más rápidamente y acelere su eventual falla enEstas regiones. Incluso pequeñas reducciones en la cantidad de cátodo cinco por ciento o menos pueden acelerar la falla. Por lo tanto, mejorar los procesos de fabricación para producir cátodos más uniformes debería conducir a baterías de mayor duración.
"Este trabajo es un gran ejemplo de una colaboración exitosa entre BNL, INL y PNNL mediante el uso de nuestra experiencia diferente en almacenamiento de energía", dijo Jie Xiao, líder de grupo del programa de investigación de baterías de PNNL.
"Los resultados de este estudio y otras actividades de Battery500 muestran claramente el beneficio de usar las capacidades de todo el complejo DOE para impulsar el avance en las tecnologías de almacenamiento de energía", agregó Eric Dufek, gerente de departamento del Departamento de almacenamiento de energía y vehículos avanzados de INL.
En estudios futuros, el equipo planea mapear los cambios que ocurren mientras la batería se carga y descarga.
"En este estudio, observamos una sola instantánea de la batería cerca del final de su vida útil", dijo Khalifah. "Un resultado importante fue demostrar cómo la técnica tiene suficiente sensibilidad como para poder aplicarla a baterías en funcionamiento. Si podemos recopilar datos de difracción mientras la batería se cicla, obtendremos una película de cómo cambian todas las diferentes partes con el tiempo. Esta información proporcionará una imagen más completa de cómo ocurre la falla y, en última instancia, nos permitirá diseñar másbaterías de alto rendimiento. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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