Una nueva investigación realizada por la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST ha identificado un bloque de construcción específico que mejora el ánodo en las baterías de iones de litio. Se revelan las propiedades únicas de la estructura, que se construyó con tecnología de nanopartículasy explicado hoy en Materiales de comunicación .
Las baterías de iones de litio potentes, portátiles y recargables son componentes cruciales de la tecnología moderna, que se encuentran en los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles y los vehículos eléctricos. En 2019, su potencial para revolucionar la forma en que almacenamos y consumimos energía en el futuro, a medida que nos alejamos decombustibles fósiles, fue notablemente reconocido, con el Premio Nobel entregado conjuntamente al nuevo miembro de la Junta de Gobernadores de la OIST, el Dr. Akira Yoshino, por su trabajo en el desarrollo de la batería de iones de litio.
Tradicionalmente, el grafito se usa para el ánodo de una batería de iones de litio, pero este material de carbono tiene limitaciones importantes.
"Cuando se carga una batería, los iones de litio se ven obligados a moverse de un lado de la batería, el cátodo, a través de una solución de electrolito al otro lado de la batería, el ánodo. Luego, cuando se carga una bateríaque se utilizan, los iones de litio vuelven al cátodo y se libera una corriente eléctrica de la batería ", explicó la Dra. Marta Haro, ex investigadora del OIST y primera autora del estudio." Pero en los ánodos de grafito, seis átomos de carbonoson necesarios para almacenar un ion de litio, por lo que la densidad de energía de estas baterías es baja ".
Dado que la ciencia y la industria están explorando actualmente el uso de baterías de iones de litio para alimentar vehículos eléctricos y naves aeroespaciales, mejorar la densidad de energía es fundamental. Los investigadores ahora están buscando nuevos materiales que puedan aumentar la cantidad de iones de litio almacenados en el ánodo.
Uno de los candidatos más prometedores es el silicio, que puede unir cuatro iones de litio por cada átomo de silicio.
"Los ánodos de silicio pueden almacenar diez veces más carga en un volumen dado que los ánodos de grafito, un orden de magnitud más alto en términos de densidad de energía", dijo el Dr. Haro. "El problema es que, a medida que los iones de litio se mueven haciael ánodo, el cambio de volumen es enorme, hasta alrededor del 400%, lo que hace que el electrodo se fracture y se rompa ".
El gran cambio de volumen también evita la formación estable de una capa protectora que se encuentra entre el electrolito y el ánodo. Cada vez que se carga la batería, esta capa debe reformarse continuamente, consumiendo el suministro limitado de iones de litio y reduciendo la vida útil yrecargabilidad de la batería.
"Nuestro objetivo era intentar crear un ánodo más robusto capaz de resistir estas tensiones, que pueda absorber tanto litio como sea posible y garantizar tantos ciclos de carga como sea posible antes de deteriorarse", dijo el Dr. Grammatikopoulos, autor principal del artículo. "Y el enfoque que tomamos fue construir una estructura usando nanopartículas".
En un artículo anterior, publicado en 2017 en ciencia avanzada , las nanopartículas OIST de Design Unit, ahora disueltas, desarrollaron una estructura en capas similar a una torta, donde cada capa de silicio se intercalaba entre nanopartículas de metal de tántalo. Esto mejoró la integridad estructural del ánodo de silicio, evitando el exceso de hinchamiento.
Mientras experimentaban con diferentes espesores de la capa de silicio para ver cómo afectaba las propiedades elásticas del material, los investigadores notaron algo extraño.
"Hubo un punto en un espesor específico de la capa de silicio donde las propiedades elásticas de la estructura cambiaron por completo", dijo Theo Bouloumis, un estudiante de doctorado actual en OIST que estaba realizando este experimento. "El material se volvió gradualmente más rígido, peroluego disminuyó rápidamente la rigidez cuando el grosor de la capa de silicio aumentó aún más. Teníamos algunas ideas, pero en ese momento, no sabíamos la razón fundamental detrás de por qué ocurrió este cambio ".
Ahora, este nuevo documento finalmente proporciona una explicación del repentino aumento de rigidez en un grosor crítico.
A través de técnicas de microscopía y simulaciones por computadora a nivel atómico, los investigadores demostraron que a medida que los átomos de silicio se depositan en la capa de nanopartículas, no forman una película uniforme y uniforme. En cambio, forman columnas en forma deconos, cada vez más anchos a medida que se depositan más átomos de silicio. Finalmente, las columnas de silicio individuales se tocan entre sí, formando una estructura abovedada.
"La estructura abovedada es fuerte, al igual que un arco es fuerte en la ingeniería civil", dijo el Dr. Grammatikopoulos. "Se aplica el mismo concepto, solo en una nanoescala".
Es importante destacar que la mayor resistencia de la estructura también coincidió con un rendimiento mejorado de la batería. Cuando los científicos llevaron a cabo pruebas electroquímicas, descubrieron que la batería de iones de litio tenía una mayor capacidad de carga. La capa protectora también era más estable, es decir, la bateríapodría soportar más ciclos de carga.
Estas mejoras solo se ven en el momento preciso en que las columnas se tocan. Antes de que ocurra este momento, los pilares individuales se tambalean y, por lo tanto, no pueden proporcionar integridad estructural al ánodo. Y si la deposición de silicio continúa después de que las columnas se tocan, se crea una estructura porosapelícula con muchos vacíos, lo que resulta en un comportamiento débil, parecido a una esponja.
Esta revelación de la estructura abovedada y cómo adquiere sus propiedades únicas no solo actúa como un paso importante hacia la comercialización de ánodos de silicio en baterías de iones de litio, sino que también tiene muchas otras aplicaciones potenciales dentro de las ciencias de los materiales.
"La estructura abovedada se puede usar cuando se necesitan materiales que sean fuertes y capaces de soportar diversas tensiones, como para bioimplantes o para almacenar hidrógeno", dijo el Dr. Grammatikopoulos. "El tipo exacto de material que necesita:más fuerte o más suave, más flexible o menos flexible, se puede hacer con precisión, simplemente cambiando el grosor de la capa. Esa es la belleza de las nanoestructuras ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Original escrito por Dani Ellenby. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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