Los científicos de materiales que estudian los fundamentos de la recarga hicieron un descubrimiento asombroso que podría abrir la puerta a mejores baterías. catalizadores más rápidos y otros saltos científicos de materiales.

Científicos de la Universidad de California en San Diego y el Laboratorio Nacional de Idaho examinaron las primeras etapas de la recarga de litio y aprendieron que lento, La carga de baja energía hace que los electrodos recolecten átomos de manera desorganizada, lo que mejora el comportamiento de carga. Este litio "vítreo" no cristalino nunca se había observado, y la creación de tales metales amorfos ha sido tradicionalmente extremadamente difícil.

Los hallazgos sugieren estrategias para ajustar los enfoques de recarga para aumentar la vida útil de la batería y, lo que es más intrigante, para fabricar metales vítreos para otras aplicaciones. El estudio fue publicado el 27 de julio en Materiales de la naturaleza .

Saber de carga, incógnitas

El metal de litio es un ánodo preferido para baterías recargables de alta energía. Sin embargo, el proceso de recarga (depositar átomos de litio en la superficie del ánodo) no se comprende bien a nivel atómico. La forma en que los átomos de litio se depositan en el ánodo puede variar de un ciclo de recarga al siguiente, lo que provoca una recarga errática y una reducción de la vida útil de la batería.

El equipo de INL / UC San Diego se preguntó si los patrones de recarga estaban influenciados por la primera congregación de los primeros átomos, un proceso conocido como nucleación.

"Esa nucleación inicial puede afectar el rendimiento de la batería, seguridad y confiabilidad, "dijo Gorakh Pawar, un científico del personal de INL y uno de los dos autores principales del artículo.

Observando cómo se forman los embriones de litio

Los investigadores combinaron imágenes y análisis de un poderoso microscopio electrónico con enfriamiento con nitrógeno líquido y modelado por computadora. La microscopía electrónica de crioestado les permitió ver la creación de embriones de metal litio, "y las simulaciones por computadora ayudaron a explicar lo que vieron.

En particular, descubrieron que ciertas condiciones creaban una forma menos estructurada de litio que era amorfa (como el vidrio) en lugar de cristalina (como el diamante).

"El poder de las imágenes criogénicas para descubrir nuevos fenómenos en la ciencia de los materiales se muestra en este trabajo, "dijo Shirley Meng, autor correspondiente e investigador que dirigió el trabajo pionero de la crio-microscopía de UC San Diego. Meng es profesor de Nanoingeniería, y Director del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego, y el Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales. Las imágenes y los datos espectroscópicos a menudo son complicados, ella dijo. "El verdadero trabajo en equipo nos permitió interpretar los datos experimentales con confianza porque el modelo computacional ayudó a descifrar la complejidad".

Una sorpresa vidriosa

Nunca antes se habían observado metales elementales amorfos puros. Son extremadamente difíciles de producir, por lo que normalmente se requieren mezclas de metales (aleaciones) para lograr una configuración "vítrea", que imparte poderosas propiedades materiales.

Durante la recarga, era más probable que los embriones de litio vidriosos permanecieran amorfos durante el crecimiento. Mientras estudiaba qué condiciones favorecían la nucleación vítrea, el equipo se sorprendió de nuevo.

"Podemos fabricar metal amorfo en condiciones muy suaves a una velocidad de carga muy lenta, "dijo Boryann Liaw, un miembro de la dirección de INL y el líder de INL en el trabajo. "Es bastante sorprendente".

Ese resultado fue contrario a la intuición porque los expertos asumieron que las tasas de deposición lentas permitirían que los átomos encontraran su camino hacia un orden, litio cristalino. Sin embargo, el trabajo de modelado explicó cómo la cinética de reacción impulsa la formación vítrea. El equipo confirmó esos hallazgos creando formas vidriosas de cuatro metales reactivos más que son atractivos para aplicaciones de baterías.

Los resultados de la investigación podrían ayudar a cumplir los objetivos del consorcio Battery500, una iniciativa del Departamento de Energía que financió la investigación. El consorcio tiene como objetivo desarrollar baterías de vehículos eléctricos comercialmente viables con una energía específica a nivel de celda de 500 Wh / kg. Más, esta nueva comprensión podría conducir a catalizadores metálicos más efectivos, Recubrimientos metálicos más fuertes y otras aplicaciones que podrían beneficiarse de los metales vítreos.