Los electrodos de alto rendimiento para baterías de iones de litio se pueden mejorar prestando más atención a sus defectos y capitalizándolos, según los científicos de la Universidad de Rice.

El científico de materiales de arroz Ming Tang y los químicos Song Jin de la Universidad de Wisconsin-Madison y Linsen Li en Wisconsin y el Instituto de Tecnología de Massachusetts dirigieron un estudio que combinó el estado de la técnica, espectroscopía y modelado de rayos X in situ para obtener información sobre el transporte de litio en los cátodos de las baterías. Descubrieron que un material de cátodo común para baterías de iones de litio, fosfato de olivino, litio y hierro, libera o absorbe iones de litio a través de una superficie mucho mayor de lo que se pensaba anteriormente.

"Sabemos que este material funciona muy bien, pero todavía hay mucho debate sobre por qué, ", Dijo Tang." En muchos aspectos, se supone que este material no es tan bueno, pero de alguna manera supera las expectativas de la gente ".

Parte de la razón Tang dijo:proviene de defectos puntuales, átomos mal colocados en la red cristalina, conocidos como defectos antisitio. Tales defectos son imposibles de eliminar por completo en el proceso de fabricación. Como resulta, él dijo, hacen que los materiales de los electrodos del mundo real se comporten de manera muy diferente a los cristales perfectos.

Esa y otras revelaciones en un Comunicaciones de la naturaleza el papel podría ayudar a los fabricantes a desarrollar mejores baterías de iones de litio que alimentan dispositivos electrónicos en todo el mundo.

Los autores principales del estudio, Liang Hong de Rice y Li de Wisconsin y MIT, y sus colegas colaboraron con científicos del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional de Brookhaven para usar sus poderosas fuentes de luz de sincrotrón y observar en tiempo real lo que sucede dentro del material de la batería cuando se está cargando. También emplearon simulaciones por computadora para explicar sus observaciones.

Una revelación Tang dijo:fue que los defectos microscópicos en los electrodos son una característica, no es un error.

"La gente suele pensar que los defectos son algo malo para los materiales de la batería, que destruyen propiedades y rendimiento, ", dijo." Con la creciente cantidad de evidencia, nos dimos cuenta de que tener una cantidad adecuada de defectos puntuales en realidad puede ser algo bueno ".

Dentro de un libre de defectos, celosía cristalina perfecta de un cátodo de fosfato de hierro y litio, el litio solo puede moverse en una dirección, Dijo Tang. Debido a esto, se cree que la reacción de intercalación de litio puede ocurrir solo en una fracción del área de superficie de la partícula.

Pero el equipo hizo un descubrimiento sorprendente al analizar las imágenes espectroscópicas de rayos X de Li:la reacción de la superficie tiene lugar en el lado grande de su imperfecto, microrods sintetizados, lo que contrarresta las predicciones teóricas de que los lados estarían inactivos porque son paralelos al movimiento percibido del litio.

Los investigadores explicaron que los defectos de partículas cambian fundamentalmente las propiedades de transporte de litio del electrodo y permiten que el litio salte dentro del cátodo en más de una dirección. Eso aumenta el área de superficie reactiva y permite un intercambio más eficiente de iones de litio entre el cátodo y el electrolito.

Debido a que el cátodo en este estudio se hizo mediante un método de síntesis típico, Tang dijo:el hallazgo es muy relevante para aplicaciones prácticas.

"Lo que aprendimos cambia la forma de pensar sobre cómo se debe optimizar la forma de las partículas de fosfato de hierro y litio, ", dijo." Suponiendo un movimiento de litio unidimensional, la gente tiende a creer que la forma de partícula ideal debería ser una placa delgada porque reduce la distancia que el litio necesita para viajar en esa dirección y maximiza el área de superficie reactiva al mismo tiempo. Pero como ahora sabemos que el litio puede moverse en múltiples direcciones, gracias a los defectos, los criterios de diseño para maximizar el rendimiento ciertamente serán bastante diferentes ".

La segunda observación sorprendente, Tang dijo:tiene que ver con el movimiento de los límites de fase en el cátodo a medida que se carga y descarga.

"Cuando sacas calor del agua, se convierte en hielo, ", dijo." Y cuando se extrae litio de estas partículas, forma una fase diferente pobre en litio, como el hielo que coexiste con la fase inicial rica en litio. "Las fases están separadas por una interfaz, o un límite de fase. La rapidez con la que se puede extraer el litio depende de qué tan rápido se mueva el límite de fase a través de una partícula, él dijo.

A diferencia de los materiales a granel, Tang explicó, Se ha predicho que el movimiento del límite de fase en las partículas pequeñas de la batería puede estar limitado por la velocidad de reacción de la superficie. Los investigadores pudieron proporcionar la primera evidencia concreta de este mecanismo controlado por reacción de superficie, pero con un toque.

"Vemos que el límite de fase se mueve en dos direcciones diferentes a través de dos mecanismos diferentes, ya sea controlado por reacción de superficie o difusión a granel de litio, ", dijo." Este mecanismo híbrido pinta una imagen más complicada sobre cómo ocurre la transformación de fase en los materiales de la batería. Debido a que puede tener lugar en un gran grupo de materiales de electrodos, este descubrimiento es fundamental para comprender el rendimiento de la batería y destaca la importancia de mejorar la velocidad de reacción de la superficie ".