Nuevas observaciones de investigadores del MIT han revelado el funcionamiento interno de un tipo de electrodo ampliamente utilizado en baterías de iones de litio. Los nuevos hallazgos explican la potencia inesperadamente alta y la vida útil prolongada de tales baterías, dicen los investigadores.

Los hallazgos aparecen en un artículo de la revista. Nano letras coautor del postdoctorado del MIT, Jun Jie Niu, el científico investigador Akihiro Kushima, los profesores Yet-Ming Chiang y Ju Li, y otros tres.

El material del electrodo estudiado, fosfato de litio y hierro (LiFePO4), se considera un material especialmente prometedor para las baterías recargables de litio; ya se ha demostrado en aplicaciones que van desde herramientas eléctricas hasta vehículos eléctricos y almacenamiento en red a gran escala. Los investigadores del MIT encontraron que dentro de este electrodo, durante la carga, se forma una zona de solución sólida (SSZ) en el límite entre las áreas ricas en litio y las áreas empobrecidas de litio, la región donde se concentra la actividad de carga, a medida que los iones de litio se extraen del electrodo.

Li dice que esta SSZ "se ha predicho teóricamente que existe, pero lo vemos directamente por primera vez, "en videos de microscopio electrónico de transmisión (TEM) tomados durante la carga.

Las observaciones ayudan a resolver un enigma de larga data sobre LiFePO4:en forma de cristal a granel, fosfato de hierro y litio y fosfato de hierro (FePO4, que se queda atrás cuando los iones de litio migran fuera del material durante la carga) tienen conductividades iónicas y eléctricas muy pobres. Sin embargo, cuando se trata con dopaje y revestimiento de carbono y se usa como nanopartículas en una batería, el material exhibe una tasa de carga impresionantemente alta. "Fue bastante sorprendente cuando se demostró por primera vez esta [velocidad de carga y descarga rápida], "Li dice.

"Observamos directamente una solución sólida aleatoria metaestable que puede resolver este problema fundamental que ha intrigado [a los científicos de materiales] durante muchos años, "dice Li, el profesor de ciencia e ingeniería nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

La SSZ es un estado "metaestable", persistiendo durante al menos varios minutos a temperatura ambiente. Reemplazo de una interfaz nítida entre LiFePO4 y FePO4 que se ha demostrado que contiene muchos defectos de línea adicionales llamados "dislocaciones, "la SSZ sirve como búfer, reduciendo el número de dislocaciones que de otro modo se moverían con el frente de reacción electroquímica. "No vemos ninguna dislocación, Li dice. Esto podría ser importante porque la generación y el almacenamiento de dislocaciones pueden causar fatiga y limitar el ciclo de vida de un electrodo.

A diferencia de las imágenes TEM convencionales, la técnica utilizada en este trabajo, desarrollado en 2010 por Kushima y Li, permite observar los componentes de la batería mientras se cargan y descargan, que puede revelar procesos dinámicos. "En los últimos cuatro años, Ha habido una gran explosión en el uso de técnicas TEM in situ para estudiar las operaciones de la batería, "Li dice.

Una mejor comprensión de estos procesos dinámicos podría mejorar el rendimiento de un material de electrodo al permitir un mejor ajuste de sus propiedades, Dice Li.

A pesar de un entendimiento incompleto hasta la fecha, Las nanopartículas de fosfato de hierro y litio ya se utilizan a escala industrial para baterías de iones de litio. Li lo explica. "La ciencia se está quedando atrás de la aplicación, ", dice." Ya se ha ampliado y tiene bastante éxito en el mercado. Es una de las historias de éxito de la nanotecnología ".

"En comparación con el ion de litio tradicional, [fosfato de hierro y litio] es ecológico, y muy estable, "Dice Niu." Pero es importante que este material se entienda bien ".

Si bien el descubrimiento de la SSZ se realizó en LiFePO4, Li dice:"El mismo principio puede aplicarse a otros materiales de electrodos. La gente busca materiales de electrodos de alta potencia, y tales estados metaestables podrían existir en otros materiales de electrodos que son inertes en forma masiva. ... El fenómeno descubierto podría ser muy general, y no específico de este material ".

Chongmin Wang, un científico investigador del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico que no participó en esta investigación, llama a este documento "gran trabajo".

"Se han propuesto varios modelos basados ​​en trabajos tanto teóricos como experimentales, "Dice Wang." Sin embargo, ninguno de ellos parece ser concluyente ".

Esta nueva investigación, él dice, "proporciona evidencia convincente y directa" del mecanismo en funcionamiento:"El trabajo es un gran paso adelante para impulsar las ambigüedades hacia un modelo de solución sólido".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.