Históricamente, como hace décadas, las baterías recargables de litio metálico eran peligrosas. Estas baterías se abandonaron rápidamente en favor de las baterías de iones de litio que no contienen litio metálico y ahora se usan ampliamente. En un esfuerzo por continuar aumentando la densidad de energía y los costosabajo, nuevamente estamos explorando cómo usar de manera eficiente y segura el metal de litio en las baterías. Las baterías de estado sólido, libres de líquidos inflamables, pueden ser la solución. Sin embargo, el progreso se ha ralentizado porque el metal de litio todavía encuentra la forma de cortocircuitar la batería yciclo de vida límite
Las baterías de litio de estado sólido son el Santo Grial del almacenamiento de energía. Con posibles impactos en todo, desde dispositivos móviles personales hasta energía renovable industrial, vale la pena superar las dificultades. El objetivo: construir una batería de litio segura y duradera. El desafío:Use un electrolito de estado sólido y detenga el cortocircuito de la formación y el crecimiento de las dendritas de litio.
En un nuevo artículo invitado publicado publicado en el Revista de Investigación de Materiales , los ingenieros de materiales de la Universidad Tecnológica de Michigan evalúan el problema. Su opinión es inusual. Se centran en la mecánica única del litio en dimensiones que son una fracción del diámetro del cabello en la cabeza, escamas mucho más pequeñasque la mayoría de los demás consideran.
"La gente piensa que el litio es suave como la mantequilla, entonces, ¿cómo puede tener la fuerza para penetrar a través de un separador de electrolitos sólidos de cerámica?", Preguntó Erik Herbert, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Michigan Tech y uno de los estudios del estudiodice que la respuesta no es intuitiva: más pequeño es más fuerte. Inevitablemente existen pequeños defectos físicos como microgrietas, poros o rugosidad de la superficie en la interfaz entre un ánodo de litio y un separador de electrolitos sólidos. Enfocando la mecánica del metal de litio enescalas de longitud proporcionales a esos pequeños defectos de interfaz, resulta que el litio es mucho más fuerte que en escalas de longitud macroscópicas o masivas.
"Al litio no le gusta el estrés más de lo que a usted o a mí le gusta el estrés, así que solo está tratando de descubrir cómo hacer que la presión desaparezca", dijo Herbert. "Lo que estamos diciendo es que a escalas pequeñas,donde no es probable que el litio tenga acceso al mecanismo normal que usaría para aliviar la presión, tiene que depender de otros métodos menos eficientes para aliviar el estrés ".
En cada metal cristalino como el litio, se necesitan defectos a nivel atómico llamados dislocaciones para aliviar cantidades significativas de estrés. En escalas macroscópicas o de longitud masiva, las dislocaciones eliminan el estrés de manera eficiente porque permiten que los planos adyacentes de átomos se deslicen fácilmente entre sí comouna baraja de cartas. Sin embargo, a escalas de longitud pequeñas y altas temperaturas en relación con el punto de fusión del metal, la posibilidad de encontrar dislocaciones dentro del volumen estresado es muy baja. En estas condiciones, el metal tiene que encontrar otra forma de aliviar la presión.Para el litio, eso significa cambiar a difusión. El estrés empuja a los átomos de litio lejos del volumen estresado, similar a ser arrastrado por una pasarela atómica del aeropuerto. En comparación con el movimiento de dislocación, la difusión es muy ineficiente. Eso significa en escalas de longitud pequeñas, dondela difusión controla el alivio del estrés en lugar del movimiento de dislocación, el litio puede soportar más de 100 veces más estrés o presión de lo que puede en un archivo macroscópicoescalas ngth.
Pueden ocurrir problemas catastróficos en lo que Herbert y su co-líder, el profesor de MTU Stephen Hackney, llaman la zona de peligro de defectos. La zona es una ventana de dimensiones físicas de defectos definidas por la competencia de alivio de tensión entre el movimiento de difusión y dislocación.El escenario de caso es un defecto de la interfaz física una micro grieta, poros o rugosidad de la superficie que es demasiado grande para el alivio eficiente del estrés por difusión, pero demasiado pequeño para permitir el alivio del estrés por el movimiento de dislocación.hacer que el electrolito sólido y toda la batería fallen catastróficamente. Curiosamente, el tamaño de la zona de peligro es el mismo tamaño que las dendritas de litio observadas.
"Los electrolitos de estado sólido muy delgados y las altas densidades de corriente requeridas para proporcionar la energía de la batería y los cortos tiempos de carga esperados por los consumidores son condiciones que favorecen la falla de la dendrita de litio, por lo que el problema de la dendrita debe resolverse para que la tecnología progrese", Hackney"Pero para que la tecnología de estado sólido sea viable, se deben abordar las limitaciones de la capacidad de energía y la vida útil del ciclo. Por supuesto, el primer paso para resolver el problema es comprender la causa raíz, que es lo que estamos tratando de hacer coneste trabajo actual "
Hackney señala que el concepto más pequeño es más fuerte no es nuevo. Los ingenieros de materiales han estudiado el efecto de la escala de longitud en el comportamiento mecánico desde la década de 1950, aunque no se ha utilizado ampliamente al considerar el problema de la dendrita de litio y el electrolito sólido.
"Creemos que este paradigma 'más pequeño es más fuerte' es directamente aplicable al tamaño de dendrita de litio observado, y es confirmado por nuestros experimentos en películas de Li muy limpias y gruesas a tasas de deformación relevantes para el inicio de la inestabilidad de la dendrita durante la carga".Dijo Hackney
Para examinar rigurosamente su hipótesis, Herbert y Hackney realizan experimentos de nanoindentación en películas de litio de alta pureza producidas por una investigadora líder en baterías, Nancy Dudney, del Laboratorio Nacional Oak Ridge.
"Las propiedades a granel del litio metálico están bien caracterizadas, pero esto puede no ser relevante en la escala de defectos y distribuciones de corriente no homogéneas que probablemente actúen en baterías de estado sólido muy delgadas", dijo Dudney. "El modelo presentado en este documento es elprimero en mapear las condiciones donde el litio mucho más fuerte impactará el rendimiento de la vida útil del ciclo. Esto guiará la investigación futura de electrolitos sólidos y diseños de baterías ".
Entre los próximos pasos del equipo, planean examinar los efectos de la temperatura y el ciclo electroquímico sobre el comportamiento mecánico del litio a escalas de longitud pequeñas. Esto los ayudará a comprender mejor las condiciones y estrategias del mundo real para hacer que las baterías de la próxima generación sean inmunes aLa formación y crecimiento de las dendritas de litio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Michigan . Original escrito por Allison Mills. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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