Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han descubierto un juego molecular de sillas musicales que perjudica el rendimiento de la batería.

En un artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores demuestran cómo la excitación de los átomos de oxígeno que contribuye a un mejor rendimiento de una batería de iones de litio también desencadena un proceso que conduce al daño, explicando un fenómeno que ha sido un misterio para los científicos.

La investigación señala la ciencia detrás de una barrera en el camino hacia la creación de Baterías de iones de litio recargables de mayor capacidad. Es un hallazgo inesperado sobre un proceso que tiene lugar todos los días en las baterías que alimentan los teléfonos móviles, computadoras portatiles, y coches eléctricos.

La desventaja del oxígeno

Controlar cómo las moléculas encajan y fluyen es crucial para la capacidad de una batería de almacenar y liberar energía. En una batería de iones de litio, el proceso de carga incluye el flujo de iones de litio desde el cátodo a través del electrolito hasta el ánodo. Al descargar, esos mismos iones hacen un viaje de regreso al cátodo, donde deberían volver a establecerse en sus posiciones asignadas en una celosía estrictamente reglamentada donde otros átomos, como el oxígeno, níquel, cobalto, y magnesio, también residen. Este constante ir y venir es lo que permite que la batería almacene y libere energía.

Para impulsar este proceso, Los científicos aumentan el flujo de litio del cátodo utilizando oxígeno como donante de electrones. pero esto da como resultado átomos de oxígeno "excitados" que pueden causar estragos en el cátodo cuidadosamente construido. El equipo de PNNL descubrió que estas moléculas de oxígeno hacen travesuras:son muy móviles y es probable que escapen de la superficie. lo que lleva a una menor capacidad y, finalmente, a una falla de la batería, e intercambian posiciones moleculares con facilidad, destacando la estructura de la batería.

"Los átomos de oxígeno ofrecen electrones, y eso aumenta la capacidad. Pero hay un costo a pagar; la gente no se ha dado cuenta de que, "dijo el científico de PNNL, Chongmin Wang, quien dirigió el estudio. "Sabemos que el oxígeno aumenta el rendimiento de la batería, pero no hemos entendido por completo todos los principios involucrados".

Batalla en el cátodo

El equipo de Wang rastreó con precisión lo que sucede con el oxígeno en el cátodo, revelando una historia de sillas musicales moleculares que involucran a matones emocionados de oxígeno, "enormes brechas creadas por su salida oportunista de la estructura, y los iones de litio se bloquearon en su esfuerzo por regresar de donde vinieron.

El equipo demostró que los átomos de oxígeno excesivamente excitados, creados cuando los átomos de oxígeno han donado sus electrones, son propensos a escapar de la superficie del cátodo. dejando una vacante en la celosía de la batería cuidadosamente construida.

Cuando los átomos de oxígeno en la superficie salen, átomos de oxígeno adicionales en la estructura de masa se abren paso en esos espacios ahora vacíos. Cada vez más moléculas de oxígeno siguen su ejemplo en una reacción en cadena, abriéndose camino hacia las ranuras vacías y escapando de la superficie. A medida que continúa el proceso, los defectos migran desde la superficie del cátodo más profundamente en el material, creando un gran agujero o vacío. La actividad imita un proceso que muchos de nosotros conocemos demasiado bien:caries, que comienza con un pequeño defecto en una superficie pero finalmente se profundiza y causa un problema mayor.

El intercambio de sitios causa estragos en la estructura atómica previamente ordenada de una batería. Otros átomos como el níquel, magnesio, cobalto, y el oxígeno comienzan a moverse y a actuar efectivamente como matones, Es probable que robe un asiento designado para litio mientras el litio está lejos haciendo química útil de la batería.

Y las vacantes dejadas por los átomos de oxígeno que partieron comienzan a agruparse en vacíos, presentando barreras formidables y evitando que los iones de litio regresen a donde pertenecen. Cuando menos átomos de litio pueden reafirmarse en las posiciones correctas en el cátodo, hay menos disponibles para hacer el viaje de ida y vuelta entre el ánodo y el cátodo. Esto significa que la batería almacena cada vez menos energía.

Finalmente, el alto número de vacantes o vacíos desestabilizan la celosía, lo que lleva a una menor capacidad y, en última instancia, a un fallo de la batería.

Un guardaespaldas para el oxígeno descarriado

"Una vez que haya perdido suficientes átomos de oxígeno, la batería pierde capacidad y toda la estructura colapsa, "dijo Wang, cuyo equipo de PNNL también trabajó con científicos de la Universidad Tecnológica de Beijing en China, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y Laboratorio Nacional Argonne.

El equipo está explorando formas de detener esos defectos. Una idea es estabilizar el oxígeno en la superficie, para bloquear los átomos de oxígeno en su posición correcta con más fuerza y ​​hacer que sea menos probable que escapen de la superficie. El equipo de Wang está explorando el uso de moléculas de zirconia para ejercer su influencia química y actuar como un tipo de guardaespaldas para mantener los átomos de oxígeno en sus posiciones adecuadas. Esto significaría una menor pérdida de oxígeno y ayudaría a mantener toda la estructura en orden. permitiendo que los iones de litio se muevan hacia adelante y hacia atrás con facilidad.