Las primeras horas de vida de una batería de iones de litio determinan en gran medida qué tan bien funcionará. En esos momentos un conjunto de moléculas se autoensambla en una estructura dentro de la batería que afectará a la batería en los años venideros.

Este componente, conocida como la interfase de electrolitos sólidos o SEI, tiene el trabajo crucial de bloquear algunas partículas mientras permite que otras pasen, como un portero de taberna que rechaza a los indeseables mientras deja entrar a los glitterati. La estructura ha sido un enigma para los científicos que la han estudiado durante décadas. Los investigadores han aprovechado múltiples técnicas para aprender más, pero nunca, hasta ahora, habían presenciado su creación a nivel molecular.

Saber más sobre el SEI es un paso crucial en el camino hacia la creación de más energía, Baterías de iones de litio más duraderas y seguras.

El trabajo publicado el 27 de enero en Nanotecnología de la naturaleza fue realizado por un equipo internacional de científicos dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. y del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Los autores correspondientes incluyen a Zihua Zhu, Chongmin Wang y Zhijie Xu de PNNL y Kang Xu del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU.

Por qué funcionan las baterías de iones de litio:el SEI

La interfase de electrolitos sólidos es una película muy delgada de material que no existe cuando se construye una batería por primera vez. Solo cuando la batería se carga por primera vez, las moléculas se agregan y reaccionan electroquímicamente para formar la estructura, que actúa como una puerta de entrada que permite que los iones de litio pasen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. Crucialmente, el SEI obliga a los electrones a tomar un desvío, que mantiene la batería en funcionamiento y hace posible el almacenamiento de energía.

Es por el SEI que tenemos baterías de iones de litio para alimentar nuestros teléfonos celulares, laptops y vehículos eléctricos.

Pero los científicos necesitan saber más sobre esta estructura de entrada. ¿Qué factores separan a los glitterati de la gentuza en una batería de iones de litio? Qué productos químicos deben incluirse en el electrolito, y en que concentraciones, para que las moléculas se formen en las estructuras SEI más útiles para que no absorban continuamente moléculas del electrolito, perjudicando el rendimiento de la batería?

Los científicos trabajan con una variedad de ingredientes, predecir cómo se combinarán para crear la mejor estructura. Pero sin más conocimiento sobre cómo se crea la interfase de electrolitos sólidos, los científicos son como chefs que hacen malabarismos con los ingredientes, trabajar con libros de cocina que están escritos sólo parcialmente.

Explorando las baterías de iones de litio con nueva tecnología

Para ayudar a los científicos a comprender mejor el SEI, el equipo utilizó la tecnología patentada de PNNL para analizar la estructura tal como fue creada. Los científicos utilizaron un haz de iones energéticos para hacer un túnel en un SEI que se está formando en una batería en funcionamiento, enviar parte del material al aire y capturarlo para su análisis mientras se depende de la tensión superficial para ayudar a contener el electrolito líquido. Luego, el equipo analizó los componentes de SEI usando un espectrómetro de masas.

El enfoque patentado, conocido como espectrometría de masas de iones secundarios líquidos in situ o SIMS líquido, permitió al equipo obtener una visión sin precedentes del SEI mientras se formaba y eludir los problemas presentados por una batería de iones de litio en funcionamiento. La tecnología fue creada por un equipo liderado por Zhu, sobre la base del trabajo anterior de SIMS realizado por su colega de PNNL Xiao-Ying Yu.

"Nuestra tecnología nos brinda una sólida comprensión científica de la actividad molecular en esta compleja estructura, ", dijo Zhu." Los hallazgos podrían ayudar a otros a adaptar la química del electrolito y los electrodos para fabricar mejores baterías ".

Investigadores del Ejército de EE. UU. Y la PNNL colaboran

El equipo de PNNL se conectó con Kang Xu, investigador del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. y experto en electrolitos y el SEI, y juntos abordaron la cuestión.

Los científicos confirmaron lo que los investigadores sospechaban:que el SEI se compone de dos capas. Pero el equipo fue mucho más lejos, especificando la composición química precisa de cada capa y determinando los pasos químicos que ocurren en una batería para producir la estructura.

El equipo descubrió que una capa de la estructura, junto al ánodo, es delgado pero denso; esta es la capa que repele los electrones pero permite el paso de los iones de litio. La capa exterior, justo al lado del electrolito, es más espeso y media las interacciones entre el líquido y el resto del SEI. La capa interior es un poco más dura y la exterior posterior es más líquida, un poco como la diferencia entre avena poco cocida y demasiado cocida.

El papel del fluoruro de litio

Un resultado del estudio es una mejor comprensión del papel del fluoruro de litio en el electrolito utilizado en las baterías de iones de litio. Varios investigadores, incluido Kang Xu, han demostrado que las baterías con SEI más ricas en fluoruro de litio funcionan mejor. El equipo mostró cómo el fluoruro de litio se convierte en parte de la capa interna del SEI, y los hallazgos ofrecen pistas sobre cómo incorporar más flúor en la estructura.

"Con esta técnica, aprende no solo qué moléculas están presentes, sino también cómo están estructuradas, "Dice Wang." Esa es la belleza de esta tecnología ".