Una ilustración muestra el cátodo de una batería en fase de transición de fosfato de hierro (FP) a fosfato de hierro y litio (LFP) durante la carga. Las simulaciones realizadas por científicos de la Universidad de Rice mostraron que agregar defectos (distorsiones en sus redes cristalinas) podría ayudar a que las baterías se carguen más rápido. Crédito:Kaiqi Yang / Universidad Rice
Este es un caso en el que los desvíos aceleran el tráfico. El resultado puede ser mejores baterías para el transporte, electrónica y almacenamiento de energía solar.
Los científicos de la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad de Rice han descubierto que colocar defectos específicos en la red cristalina de los cátodos a base de fosfato de hierro y litio amplía las avenidas a través de las cuales viajan los iones de litio. Sus cálculos teóricos podrían mejorar el rendimiento hasta dos órdenes de magnitud y señalar el camino hacia mejoras similares en otros tipos de baterías.
Estos defectos, conocido como antisites, se forman cuando los átomos se colocan en posiciones incorrectas en la red, es decir, cuando los átomos de hierro se asientan en los sitios que deberían estar ocupados por el litio. Los defectos antisitio impiden el movimiento del litio dentro de la red de cristal y, por lo general, se consideran perjudiciales para el rendimiento de la batería.
En el caso del fosfato de hierro y litio, sin embargo, los investigadores de Rice descubrieron que crean muchos desvíos dentro del cátodo y permiten que los iones de litio alcancen el frente de reacción sobre una superficie más amplia, lo que ayuda a mejorar la tasa de carga o descarga de las baterías.
La investigación aparece en la revista Nature. Materiales computacionales .
Kaiqi Yang, estudiante de posgrado de la Universidad de Rice, izquierda, y el científico de materiales Ming Tang modeló cómo los defectos de ingeniería en la red atómica de un cátodo de fosfato de hierro pueden mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
El fosfato de hierro y litio es un material de cátodo ampliamente utilizado para baterías de iones de litio y también sirve como un buen sistema modelo para estudiar la física subyacente al proceso de ciclo de la batería. dijo el científico de materiales de Rice Ming Tang, quien llevó a cabo la investigación con el ex alumno Liang Hong, ahora investigador en MathWorks, y el estudiante de posgrado Kaiqi Yang.
Tras la inserción de litio, el cátodo cambia de una fase pobre en litio a una rica en litio, dijo Tang, profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería. Cuando la cinética de la reacción superficial es lenta, el litio solo se puede insertar en el fosfato de hierro y litio dentro de una región de superficie estrecha alrededor del límite de fase, el "camino", un fenómeno que limita la velocidad a la que la batería puede recargarse.
"Si no hay defectos, el litio solo puede entrar en esta pequeña región alrededor del límite de fase, ", dijo." Sin embargo, Los defectos antisitio pueden hacer que la inserción de litio se lleve a cabo de manera más uniforme en toda la superficie. por lo que el límite se movería más rápido y la batería se cargaría más rápido.
"Si fuerza a que el cátodo libre de defectos se cargue rápidamente aplicando un gran voltaje, Habrá un flujo de litio local muy alto en la superficie y esto puede dañar el cátodo. ", dijo." Este problema se puede resolver mediante el uso de defectos para extender el flujo sobre toda la superficie del cátodo ".
El recocido del material (calentarlo sin quemarlo) podría utilizarse para controlar la concentración de defectos. Tang dijo que los defectos también permitirían el uso de partículas de cátodo más grandes que los cristales a nanoescala para ayudar a mejorar la densidad de energía y reducir la degradación de la superficie.
"Una predicción interesante del modelo es que esta configuración de defecto óptima depende de la forma de las partículas, " él dijo, "Vimos que las facetas de cierta orientación podrían hacer que los desvíos fueran más efectivos en el transporte de iones de litio. Por lo tanto, querrá tener más de estas facetas expuestas en la superficie del cátodo ".
Tang dijo que el modelo podría aplicarse como una estrategia general para mejorar los compuestos de la batería que cambian de fase.
"Para materiales estructurales como acero y cerámica, la gente juega con los defectos todo el tiempo para hacer que los materiales sean más fuertes, ", dijo." Pero no hemos hablado mucho sobre el uso de defectos para fabricar mejores materiales de batería. Generalmente, la gente ve los defectos como molestias que deben eliminarse.
"Pero creemos que podemos convertir los defectos en amigos, no enemigos, para un mejor almacenamiento de energía ".
