A medida que la energía renovable crece como fuente de energía en todo el mundo, un componente clave aún elude a la industria:a gran escala, estable, Baterías eficientes y asequibles.

Las baterías de iones de litio han demostrado ser exitosas para la electrónica de consumo, pero vehículos eléctricos, Las turbinas eólicas o las redes inteligentes requieren baterías con una capacidad energética mucho mayor. Un competidor líder es la batería de metal de litio, que se diferencia de la tecnología de iones de litio en que contiene electrodos de metal de litio.

Concebido por primera vez en 1912, Las baterías de metal de litio tienen el potencial de almacenar grandes cantidades de energía a bajo costo, pero sufren de un defecto fatal:las dendritas, agujas afiladas hechas de grupos de átomos de litio que pueden hacer que las baterías se calienten y ocasionalmente provoquen un cortocircuito y se incendien.

Sin embargo, la promesa de la tecnología ha mantenido a los investigadores y las empresas trabajando en formas de superar este problema.

"Las baterías de metal de litio son básicamente las baterías de ensueño, ya que proporcionan una densidad de energía extremadamente alta, "dijo Reza Shahbazian-Yassar, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial en la Universidad de Illinois en Chicago (UIC). "Sin embargo, no hemos podido construir baterías de metal de litio comercialmente viables con electrolitos líquidos orgánicos debido al revestimiento de metal de litio heterogéneo que conduce a dendritas con ciclos prolongados de batería ".

Recientemente, equipos de investigadores, incluyendo a Shahbazian-Yassar en UIC y Perla Balbuena en Texas A&M University, se han acercado poco a poco a encontrar una solución, en parte, aplicando el poder de las supercomputadoras para comprender la química y la física centrales que intervienen en la formación de dendritas y para diseñar nuevos materiales que puedan mitigar el crecimiento de dendritas.

Escribiendo en Materiales funcionales avanzados en febrero de 2018, los investigadores presentaron los resultados de los estudios en un nuevo material que puede resolver el antiguo problema de las dendritas.

"La idea era desarrollar un material de recubrimiento que pudiera proteger el metal de litio y hacer que la deposición de iones sea mucho más suave, "dijo Balbuena, profesor de Ingeniería Química en Texas A&M y coautor del artículo.

Las investigaciones se basaron en las supercomputadoras Stampede y Lonestar del Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), entre las más poderosas del mundo.

ION PACHINKO

En el papel, los investigadores describieron una nanohoja de óxido de grafeno que se puede rociar en un separador de fibra de vidrio que luego se inserta en la batería. El material permite que los iones de litio lo atraviesen, pero ralentiza y controla cómo los iones se combinan con los electrones de la superficie para convertirse en átomos neutros. En lugar de formar agujas, los átomos depositados forman lisos, superficies planas en la parte inferior de la hoja.

Los investigadores utilizaron modelos y simulaciones por computadora junto con experimentos físicos e imágenes microscópicas para revelar cómo y por qué el material controla efectivamente la deposición de litio. Demostraron que los iones de litio forman una película delgada en la superficie del óxido de grafeno y luego se difunden a través de los sitios defectuosos, esencialmente huecos en las capas del material, antes de asentarse debajo de la capa inferior del óxido de grafeno. El material actúa como las clavijas en un juego de pachinko, desacelerando y dirigiendo las bolas de metal a medida que caen.

"Nuestra contribución fue realizar simulaciones de dinámica molecular donde seguimos la trayectoria de los electrones y átomos en el tiempo y observamos lo que sucede a nivel atomístico, ", Dijo Balbuena." Estábamos interesados ​​en dilucidar cómo los iones de litio se difunden a través del sistema y se convierten en átomos cuando la deposición termina en un recubrimiento de litio ".

Las baterías dopadas con óxido de grafeno muestran un ciclo de vida mejorado y exhiben una estabilidad de hasta 160 ciclos, mientras que una batería sin modificar pierde rápidamente su eficiencia después de 120 ciclos. El óxido se puede aplicar de forma sencilla y económica con una pistola de recubrimiento por pulverización.

La forma en que se coloca el aerosol en las nanohojas fue otro enfoque de la investigación. "Cuando haces el experimento, no está claro a nivel microscópico dónde se asentará el recubrimiento, "dijo Balbuena." Es muy delgado, por lo que localizar estos recubrimientos con precisión no es trivial ".

Su modelo de computadora exploró si sería más favorable si el óxido estuviera orientado en paralelo o perpendicular al colector de corriente. Ambos pueden ser efectivos, ellos encontraron, pero si se deposita en paralelo, el material requiere una cierta cantidad de defectos para que los iones puedan pasar.

"Las simulaciones dieron a nuestros colaboradores ideas sobre el mecanismo de transferencia de iones a través del recubrimiento, Balbuena dijo:"Es posible que algunas de las direcciones futuras involucren diferentes espesores o composición química en función del fenómeno que observamos".

EXPLORANDO MATERIALES DE CATODOS ALTERNATIVOS

En una investigación separada, publicado en ChemSusChem en febrero de 2018, Balbuena y el estudiante de posgrado Saúl Pérez Beltrán describieron un diseño de batería que utiliza láminas de grafeno para mejorar el rendimiento de los cátodos de carbono-azufre para baterías de litio-azufre. otro posible sistema de almacenamiento de alta capacidad.

Además de la abundancia natural del azufre, no toxicidad y bajo costo, un cátodo a base de azufre es teóricamente capaz de proporcionar almacenamiento hasta 10 veces mayor que los cátodos de óxido de cobalto-litio comúnmente usados ​​en baterías de iones de litio convencionales.

Sin embargo, las reacciones químicas en la batería conducen a la formación de polisulfuros de litio, compuestos químicos que contienen cadenas de átomos de azufre. Los polisulfuros de cadena larga son solubles en el electrolito líquido y migran al ánodo de metal de litio donde se descomponen. un efecto no deseado. Por otra parte, los polisulfuros de cadena corta son insolubles y permanecen en el cátodo a base de azufre. Los investigadores investigaron cómo la microestructura del cátodo puede afectar esta química.

Abordaron el problema de la formación incontrolada de polisulfuros creando un material compuesto de azufre / grafeno que evita la formación de polisulfuros solubles de cadena larga. Descubrieron que las láminas de grafeno aportan estabilidad al cátodo y mejoran sus capacidades de captura de iones.

La investigación de Balbuena cuenta con el apoyo del Departamento de Energía como parte de los programas Battery Materials Research y Battery 500 Seedling, ambos tienen como objetivo crear más pequeños, más seguro Paquetes de baterías más livianos y menos costosos para hacer que los vehículos eléctricos sean más asequibles.

Stampede y su continuación Stampede2 cuentan con el apoyo de subvenciones de la National Science Foundation y permiten que decenas de miles de investigadores de todo el país exploren problemas que de otro modo no podríamos abordar.

"Estos son cálculos muy extensos, por eso necesitamos computadoras de alto rendimiento, ", Dijo Balbuena." Somos grandes usuarios de los recursos de TACC y estamos muy agradecidos con la Universidad de Texas por permitirnos utilizar estas instalaciones ".

Para Balbuena, La investigación fundamental impulsada por supercomputadoras sobre baterías de próxima generación es una síntesis perfecta de sus intereses.

"La investigación es una combinación de química, física e ingeniería, todo habilitado por la informática, este microscopio teórico que puede visualizar cosas a través de la teoría ".