Crecimiento de dendrita en una batería de metal de litio. Crédito:Universidad de Washington en St. Louis
A medida que crece nuestro amor por los gadgets, también lo hacen las demandas de baterías de mayor duración. Pero hay un problema.
Para hacer una batería de mayor duración, necesita ser más grande, y más grande no es mejor cuando se trata de teléfonos móviles o coches eléctricos, por no hablar de los marcapasos.
Las baterías de iones de litio ya tienen una reputación menos que estelar:piense en la explosión de teléfonos celulares o incendios en aviones. Más allá de estos problemas existentes, cuando los investigadores intentan encoger estas baterías sin comprometer el rendimiento, los resultados son aún más inestables y propensos a cortocircuitos; Los ingenieros no han podido superar estos problemas.
Los investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis tienen nuevos conocimientos sobre la causa (o las causas) de estos problemas, allanando el camino para los más pequeños, más seguro baterías más densas en energía. El resultado de su trabajo se ha publicado recientemente en línea en la revista Joule .
Peng Bai, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, ha identificado tres límites de corriente clave cuando se trata de estas baterías de metal de litio de alta densidad energética. Resulta, Los ingenieros habían estado buscando una solución a lo que resultan ser tres problemas.
Una batería de iones de litio está formada por tres capas:una capa de material de bajo voltaje (grafito) llamada ánodo; uno de material de alto voltaje (óxido de litio y cobalto) llamado cátodo; y una capa de plástico poroso que los separa.
El separador se humedece con un líquido llamado electrolito. Cuando la batería se descarga, iones de litio se vacían fuera del ánodo, pasando a través del electrolito líquido, y pasar al cátodo. El proceso se invierte a medida que se carga la batería.
El crecimiento de los bigotes está bloqueado por un separador en una batería de metal de litio. Crédito:Peng Bai
"Con la mitad de los materiales de los electrodos que contienen iones de litio vacíos en todo momento, "Bai dijo, "estás desperdiciando la mitad de tu espacio".
Los ingenieros han sabido que podrían construir una batería más densa en energía (una batería más pequeña con una capacidad de salida similar) descartando parte del peso muerto que viene con la mitad de los materiales del host siempre vacíos. Han tenido un éxito mínimo al eliminar el ánodo de grafito, luego reduciendo los iones de litio con electrones durante la recarga, un proceso que forma una fina capa de litio metálico.
"El problema es que el revestimiento de metal de litio no es uniforme, "Dijo Bai." Pueden crecer 'dedos'. "
Los investigadores se han referido a estos dedos como "dendritas". A medida que se esparcen por el revestimiento de metal de litio, pueden penetrar el separador de la batería, provocando un cortocircuito.
Las dendritas pueden penetrar rápidamente un separador en una batería de metal de litio. Crédito:Peng Bai
Pero no todos los "dedos" son iguales. "Si las llamas a todas dendritas, está buscando una solución para resolver en realidad tres problemas, que es imposible, "Dijo Bai." Es por eso que después de tantos años este problema nunca ha sido resuelto ".
Su equipo ha identificado tres tipos distintos de dedos, o modos de crecimiento, en estos ánodos de metal de litio. También describen a qué corriente aparece cada modo de crecimiento.
"Si usa una corriente muy alta, se construye en la punta para producir una estructura en forma de árbol, ", Dijo Bai. Esas son" verdaderas dendritas "(ver Figura A).
Por debajo del límite inferior tiene bigotes que crecen desde la raíz (consulte la Figura B).
Los crecimientos superficiales penetran en el separador de una batería de metal de litio. Crédito:Peng Bai
Y dentro de esos dos límites existe la transición dinámica de bigotes a dendritas, lo que Bai llama "crecimiento superficial" (ver Figura C).
Todos estos crecimientos están relacionados con las reacciones competitivas en la región entre el electrolito líquido y los depósitos de metal.
El estudio encontró que un separador de cerámica nanoporosa puede bloquear los bigotes hasta una cierta densidad de corriente, después de lo cual los crecimientos superficiales pueden penetrar lentamente en el separador. Con una corriente lo suficientemente fuerte, forma de "dendritas verdaderas", que puede penetrar fácil y muy rápidamente en el separador para cortocircuitar la batería.
En este punto, Bai dijo, "nuestra celda transparente única reveló que el voltaje de la batería podría parecer bastante normal, a pesar de que el separador ha sido penetrado por un filamento de metal de litio. Sin ver lo que pasa por dentro podría ser fácilmente engañado por el voltaje aparentemente razonable, pero, De Verdad, su batería ya ha fallado ".
Para construir una caja fuerte, eficiente, batería confiable con un ánodo de metal de litio, los tres modos de crecimiento deben controlarse mediante tres métodos diferentes.
Este será un desafío considerando que los consumidores quieren baterías que puedan almacenar más energía, y al mismo tiempo quiere que se carguen más rápidamente. La combinación de estos dos produce inevitablemente una corriente de carga cada vez más alta, que puede exceder una de las corrientes críticas identificadas por el equipo de Bai.
Y, las baterías pueden degradarse. Cuando lo hacen las corrientes críticas identificadas para la batería nueva ya no se aplican; el umbral se vuelve más bajo. En ese punto, dada la misma corriente de carga rápida, Existe una mayor probabilidad de que la batería se cortocircuite.
"El funcionamiento de la batería es muy dinámico, en una amplia gama de corrientes. Sin embargo, su disposición varía drásticamente a lo largo del ciclo de vida ", dijo Bai." Es por eso que esto se vuelve necesario ".
