A la izquierda Un modelo 3D de los científicos de materiales de la Universidad de Rice muestra un límite de fase cuando un cátodo de fosfato de hierro y litio que se deslitiza se descarga rápidamente. A la derecha, una sección transversal muestra el límite "en forma de dedo" entre el fosfato de hierro (azul) y el litio (rojo). Los ingenieros de Rice descubrieron que demasiados defectos intencionales destinados a mejorar las baterías pueden, de hecho, degradar su rendimiento y resistencia. Crédito:Grupo de ciencia de materiales de mesoescala / Universidad de Rice
Los defectos intencionales en las baterías han dado a los científicos de la Universidad de Rice una ventana a los peligros de llevar demasiado lejos las celdas de iones de litio.
Nuevas simulaciones realizadas por el científico de materiales de Rice Ming Tang y el estudiante graduado Kaiqi Yang, detallado en el Revista de Química de Materiales A , muestra demasiada tensión en cátodos de fosfato de hierro y litio ampliamente utilizados que pueden abrir grietas y degradar rápidamente las baterías.
El trabajo amplía la investigación reciente de Rice que demostró cómo la colocación de defectos en las partículas que componen el cátodo podría mejorar el rendimiento de la batería hasta en dos órdenes de magnitud al ayudar al litio a moverse de manera más eficiente.
Pero el posterior estudio de modelado del laboratorio reveló una salvedad. Bajo la presión de la carga y descarga rápidas, cátodos cargados de defectos corren el riesgo de fractura.
"La imagen convencional es que el litio se mueve uniformemente hacia el cátodo, con una región rica en litio que se expande suavemente hacia el centro del cátodo, "dijo Tang, profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice.
Pero las imágenes de rayos X tomadas en otro laboratorio mostraron algo más. "Vieron un límite similar a un dedo entre las regiones ricas y pobres en litio, casi como cuando inyecta agua en aceite, ", dijo." Nuestra pregunta fue:¿Qué causa esto? "
La raíz del problema parece ser que la tensión desestabiliza el límite inicialmente plano y hace que se vuelva ondulado. Dijo Tang. El cambio en la forma del límite aumenta aún más el nivel de tensión y desencadena la formación de grietas. El estudio del grupo de Tang muestra que tal inestabilidad puede incrementarse por un tipo común de defecto en los compuestos de la batería llamados antisitios, donde los átomos de hierro ocupan puntos en el cristal donde deberían estar los átomos de litio.
"Los antisites pueden ser algo bueno, como mostramos en el último artículo, porque aceleran la cinética de intercalación del litio, "Tang dijo, "Pero aquí mostramos un efecto contrario:demasiados antisitos en las partículas estimulan la interfaz en movimiento para que se vuelva inestable y, por lo tanto, genere más estrés".
Kaiqi Yang, estudiante de posgrado de Rice, izquierda, y el científico de materiales Ming Tang determinó que la carga y descarga rápidas de algunas baterías de iones de litio con defectos intencionales degrada su rendimiento y resistencia. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Tang cree que hay un punto óptimo para la cantidad de antisitios en un cátodo:suficientes para mejorar el rendimiento, pero muy pocos para promover la inestabilidad. "Quieres tener un nivel adecuado de defectos, y requerirá algo de prueba y error para descubrir cómo alcanzar la cantidad correcta mediante el recocido de las partículas, ", dijo." Creemos que nuestras nuevas predicciones podrían ser útiles para los experimentadores ".
