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  • La superación personal de las baterías de iones de litio

    Nanotubos de óxido de titanio amorfo, tras la inserción de litio en una batería de iones de litio, auto-crea la estructura de óxido de titanio y litio cúbico de mayor capacidad

    (Phys.org) —La búsqueda de energía limpia y verde en el siglo XXI requiere una tecnología de baterías mejor y más eficiente. La clave para lograr ese objetivo puede estar en diseñar y fabricar baterías, no de arriba hacia abajo, pero de abajo hacia arriba, comenzando en la nanoescala. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Chicago ha adoptado este enfoque al desarrollar dióxido de titanio (TiO 2 ) electrodos que realmente pueden mejorar su propio rendimiento electroquímico a medida que se utilizan.

    Los experimentadores sintetizaron TiO 2 nanotubos y los ensambló en pilas de moneda de iones de litio, luego los cicló galvanostáticamente entre 0,8 V y 2,0 V.Las muestras de electrodos de las células se examinaron luego mediante difracción de rayos X (XRD) en la línea de luz del dispositivo de inserción GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D y espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) en el X -ray Science Division 20-BM línea de haz de imán de flexión, ambos en la Fuente de Fotones Avanzados del Departamento de Energía de EE. UU. en Argonne.

    Además de la síntesis del TiO 2 nanotubos, También se realizaron simulaciones de imágenes de microscopía electrónica de barrido y de dinámica molecular en el Centro Argonne de Materiales a Nanoescala. Todas estas técnicas proporcionaron una ventana a la inclusión y eliminación de iones (proceso de intercalación / desintercalación) que ocurren dentro del TiO 2 nanotubos.

    Usando el TiO amorfo nanoescala 2 nanotubos como ánodo en semiceldas de litio, los investigadores notaron un voltaje decreciente consistentemente lineal durante la primera descarga, seguido de una "joroba" a ~ 1,1 V frente a Li / Li +. Esto indicó una transición de fase irreversible en el material de nanotubos.

    En ciclos posteriores, Iones Li + intercalados / desintercalados reversiblemente en el TiO 2 nanotubos con capacidades muy superiores a las observadas en otros TiO 2 variedades como anatasa.

    El equipo concluyó que esto se debe a una estructura o mecanismo de intercalación diferente que se produce como resultado de la transición de fase. Comparado con anatasa, el TiO transformado en fase 2 El ánodo de nanotubos mostró una difusión de iones de litio muy mejorada, especialmente a altas velocidades de ciclismo. El TiO 2 El ánodo de nanotubos demostró una energía mucho más alta y una potencia más alta en comparación con su TiO estructural 2 primos, que mostró una disminución en la capacidad en experimentos similares utilizando ciclos rápidos.

    Los estudios XRD y XAS, junto con simulaciones computacionales, muestra cómo cambia la estructura del ánodo al ciclar. Por encima de ~ 1,1 V, no se observaron cambios con el ciclismo, pero por debajo de 1,1 V, un altamente simétrico, se formó una estructura cristalina de oxígeno cúbico densamente empaquetada, con Ti y Li distribuidos aleatoriamente entre sitios octaédricos.

    Curiosamente, el tipo de orden de corto alcance que se esperaría en un sistema octaédrico tan completamente ordenado aparentemente no se desarrolla en este caso. Sin embargo, esto no afecta la estabilidad termodinámica, y la estructura cúbica permaneció altamente estable y reversible luego de la transición de fase.

    Parece que la intercalación / desintercalación de los iones Li + inicia una nueva estructura que permite una intercalación aún mejor de los iones Li +. Debido a que todas las capas de la nueva estructura retienen átomos de metal incluso en el estado cargado, se conserva la fase cúbica del material. Simulaciones de dinámica molecular de la difusión de iones de litio en otros tipos de TiO 2 Las estructuras mostraron que la difusión más eficiente y la barrera de activación más baja (0.257 eV) ocurre en el Li cúbico amorfo. 2 Ti 2 O 4 formulario, en comparación con otros TiO 2 variedades como, de nuevo, anatasa.

    El TiO amorfo a cúbico 2 El ánodo de nanotubos se probó en una configuración de celda completa con un cátodo de espinela de 5 V (LiNi0.5Mn1.5O4). En ciclismo repetido, la celda mostró un voltaje promedio de 2.8 V y mejoró la capacidad.

    Otra clara ventaja del TiO 2 El ánodo de nanotubos es que debido a que no sufre degradación de la capacidad, evita el recubrimiento de Li en el ánodo de grafito y los sobrepotenciales de los electrodos que crean posibles peligros de seguridad en otros tipos de baterías de iones de litio.

    Al crear un material de electrodo a nanoescala que realmente puede ordenarse a sí mismo en una estructura electroquímica más eficiente y poderosa a medida que se somete a descargas y cargas repetidas, el equipo de investigación forjó un nuevo camino para el diseño y desarrollo de mayor capacidad, mayor potencia, baterías más seguras. En nuestro mundo de tecnología de teléfonos inteligentes y automóviles eléctricos, Difícilmente puede subestimarse la importancia de tal avance.


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