Una nueva investigación realizada por ingenieros en el MIT y en otros lugares podría generar baterías que pueden acumular más energía por libra y durar más, según el objetivo largamente buscado de usar metal de litio puro como uno de los dos electrodos de la batería, el ánodo.
El nuevo concepto de electrodo proviene del laboratorio de Ju Li, el Profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Se describe en la revista Naturaleza , en un documento en coautoría de Yuming Chen y Ziqiang Wang en el MIT, junto con otros 11 en el MIT y en Hong Kong, Florida y Texas.
El diseño es parte de un concepto para desarrollar baterías seguras de estado sólido, dispensando el líquido o el gel de polímero que generalmente se usa como material electrolítico entre los dos electrodos de la batería. Un electrolito permite que los iones de litio viajen de un lado a otro durante elciclos de carga y descarga de la batería, y una versión completamente sólida podría ser más segura que los electrolitos líquidos, que tienen alta volatilidad y han sido la fuente de explosiones en las baterías de litio.
"Ha habido mucho trabajo en baterías de estado sólido, con electrodos de metal de litio y electrolitos sólidos", dice Li, pero estos esfuerzos han enfrentado una serie de problemas.
Uno de los mayores problemas es que cuando la batería se carga, los átomos se acumulan dentro del metal de litio, lo que hace que se expanda. El metal se encoge nuevamente durante la descarga, a medida que se usa la batería. Estos cambios repetidos en las dimensiones del metal,algo así como el proceso de inhalar y exhalar, dificultan que los sólidos mantengan un contacto constante y tienden a hacer que el electrolito sólido se fracture o se desprenda.
Otro problema es que ninguno de los electrolitos sólidos propuestos son realmente químicamente estables mientras están en contacto con el metal de litio altamente reactivo, y tienden a degradarse con el tiempo.
La mayoría de los intentos para superar estos problemas se han centrado en diseñar materiales electrolíticos sólidos que sean absolutamente estables frente al metal de litio, lo que resulta difícil. En cambio, Li y su equipo adoptaron un diseño inusual que utiliza dos clases adicionales de sólidos "mezcladosconductores iónico-electrónicos "MIEC y" aisladores de electrones y de iones de litio "ELI, que son químicamente estables en contacto con el metal de litio.
Los investigadores desarrollaron una nanoarquitectura tridimensional en forma de una matriz en forma de panal de tubos MIEC hexagonales, parcialmente infundidos con el metal de litio sólido para formar un electrodo de la batería, pero con espacio adicional dentro de cada tubo.el litio se expande en el proceso de carga, fluye hacia el espacio vacío en el interior de los tubos, moviéndose como un líquido a pesar de que retiene su estructura cristalina sólida. Este flujo, completamente confinado dentro de la estructura de panal, alivia la presión de la expansión causadacargando, pero sin cambiar las dimensiones externas del electrodo o el límite entre el electrodo y el electrolito. El otro material, el ELI, sirve como un aglutinante mecánico crucial entre las paredes del MIEC y la capa de electrolito sólido.
"Diseñamos esta estructura que nos da electrodos tridimensionales, como un panal", dice Li. Los espacios vacíos en cada tubo de la estructura permiten que el litio "se deslice hacia atrás" en los tubos ", y de esa manera,no genera tensión para romper el electrolito sólido ". El litio en expansión y contracción dentro de estos tubos se mueve hacia adentro y hacia afuera, como los pistones de un motor de automóvil dentro de sus cilindros. Debido a que estas estructuras están construidas en dimensiones a nanoescala los tubos son aproximadamenteDe 100 a 300 nanómetros de diámetro y decenas de micras de altura, el resultado es como "un motor con 10 mil millones de pistones, con litio metálico como fluido de trabajo", dice Li.
Li dice que debido a que las paredes de estas estructuras tipo panal están hechas de MIEC químicamente estable, el litio nunca pierde contacto eléctrico con el material. Por lo tanto, toda la batería sólida puede permanecer mecánica y químicamente estable a medida que pasa por sus ciclos deEl equipo ha probado el concepto experimentalmente, sometiendo a un dispositivo de prueba a 100 ciclos de carga y descarga sin producir fractura de los sólidos.
Li dice que aunque muchos otros grupos están trabajando en lo que llaman baterías sólidas, la mayoría de esos sistemas funcionan mejor con un poco de electrolito líquido mezclado con el material de electrolito sólido ". Pero en nuestro caso", dice, "es realmente todosólido. No contiene líquido ni gel de ningún tipo ".
El nuevo sistema podría conducir a ánodos seguros que pesen solo una cuarta parte de sus equivalentes convencionales en baterías de iones de litio, para la misma cantidad de capacidad de almacenamiento. Si se combina con nuevos conceptos para versiones livianas del otro electrodo, el cátodo, este trabajo podría conducir a reducciones sustanciales en el peso total de las baterías de iones de litio. Por ejemplo, el equipo espera que pueda conducir a teléfonos celulares que puedan cargarse solo una vez cada tres días, sin hacer que los teléfonos sean más pesados o voluminosos.
Un nuevo concepto para un cátodo más ligero fue descrito por otro equipo dirigido por Li, en un artículo que apareció el mes pasado en la revista Energía natural , en coautoría del postdoctorado MIT Zhi Zhu y el estudiante graduado Daiwei Yu. El material reduciría el uso de níquel y cobalto, que son caros y tóxicos y se usan en los cátodos actuales. El nuevo cátodo no se basa únicamente en elcontribución de la capacidad de estos metales de transición en el ciclo de la batería. En cambio, dependería más de la capacidad redox del oxígeno, que es mucho más liviana y abundante. Pero en este proceso los iones de oxígeno se vuelven más móviles, lo que puede hacer que escapenlas partículas del cátodo. Los investigadores utilizaron un tratamiento superficial a alta temperatura con sal fundida para producir una capa superficial protectora en partículas de óxido de metal rico en manganeso y litio, por lo que la cantidad de pérdida de oxígeno se reduce drásticamente.
Aunque la capa superficial es muy delgada, de solo 5 a 20 nanómetros de espesor en una partícula de 400 nanómetros de ancho, proporciona una buena protección para el material subyacente. "Es casi como la inmunización", dice Li, contra los efectos destructivos del oxígenopérdida en las baterías usadas a temperatura ambiente. Las versiones actuales proporcionan al menos una mejora del 50 por ciento en la cantidad de energía que se puede almacenar para un peso dado, con una estabilidad de ciclismo mucho mejor.
El equipo solo ha construido dispositivos pequeños a escala de laboratorio hasta ahora, pero "espero que esto se pueda ampliar muy rápidamente", dice Li. Los materiales necesarios, principalmente manganeso, son significativamente más baratos que el níquel o el cobalto utilizados por otros sistemas, por lo que estos cátodos podrían costar tan poco como un quinto tanto como las versiones convencionales.
Los equipos de investigación incluyeron investigadores del MIT, la Universidad Politécnica de Hong Kong, la Universidad de Florida Central, la Universidad de Texas en Austin, los Laboratorios Nacionales Brookhaven en Upton, Nueva York. El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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