Hay un viejo dicho:"Debes aprender a caminar antes de aprender a correr". A pesar de tanta sabiduría, numerosas industrias se saltan lo básico y se inscriben en maratones, incluida la industria de las baterías.

Las baterías de iones de litio son una promesa increíble para mejorar la capacidad de almacenamiento, pero son volátiles. Todos hemos escuchado las noticias sobre las baterías de iones de litio en los teléfonos, sobre todo el Samsung Galaxy 7, lo que provoca que los teléfonos se incendien.

Gran parte del problema surge del uso de electrolito líquido inflamable dentro de la batería. Un enfoque consiste en utilizar un electrolito sólido no inflamable junto con un electrodo de metal de litio. Esto aumentaría la energía de la batería y al mismo tiempo disminuiría la posibilidad de un incendio.

Esencialmente, el destino es fabricar baterías de estado sólido de próxima generación que no exploten. El viaje consiste en comprender fundamentalmente el litio.

"Todo el mundo está mirando los componentes de almacenamiento de energía de la batería, "dice Erik Herbert, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Tecnológica de Michigan. "Muy pocos grupos de investigación están interesados ​​en comprender los elementos mecánicos. Pero bajo y he aquí, estamos descubriendo que las propiedades mecánicas del litio en sí pueden ser la pieza clave del rompecabezas ".

Los investigadores de Michigan Tech contribuyen significativamente a obtener una comprensión fundamental del litio con los resultados publicados hoy en una serie de tres artículos invitados en el Journal of Materials Research, publicado conjuntamente por la Materials Research Society y Cambridge University Press. Herbert y Stephen Hackney, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, junto con Violet Thole, un estudiante de posgrado en Michigan Tech, Nancy Dudney en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y Sudharshan Phani en el Centro Internacional de Investigación Avanzada para la Metalurgia de Polvos y Nuevos Materiales, comparten resultados que subrayan la importancia del comportamiento mecánico del litio en el control del rendimiento y la seguridad de las baterías de próxima generación.

Como un ciclo de congelación-descongelación que daña el hormigón, las dendritas de litio dañan las baterías

El litio es un metal extremadamente reactivo, lo que lo hace propenso a la mala conducta. Pero también es muy bueno para almacenar energía. Queremos nuestros teléfonos (y computadoras, tabletas y otros dispositivos electrónicos) para cargar lo más rápido posible, por lo que los fabricantes de baterías enfrentan presiones gemelas:hacer baterías que se carguen muy rápidamente, pasar una carga entre el cátodo y el ánodo lo más rápido posible, y hacen que las baterías sean confiables a pesar de que se cargan repetidamente.

El litio es un metal muy blando, pero no se comporta como se esperaba durante el funcionamiento con batería. La creciente presión que se produce inextricablemente durante la carga y descarga de una batería da como resultado dedos microscópicos de litio llamados dendritas para rellenar defectos microscópicos preexistentes e inevitables:ranuras, poros y raspaduras:en la interfaz entre el ánodo de litio y el separador de electrolitos sólidos.

Durante el ciclismo continuo, estas dendritas pueden forzar su camino hacia, y eventualmente a través, la capa de electrolito sólido que separa físicamente el ánodo y el cátodo. Una vez que una dendrita llega al cátodo, el dispositivo se cortocircuita y falla, a menudo catastróficamente. La investigación de Herbert y Hackney se centra en cómo el litio mitiga la presión que se desarrolla naturalmente durante la carga y descarga de una batería de estado sólido.

Su trabajo documenta el notable comportamiento del litio en escalas de longitud submicrométricas, profundizando en los atributos más pequeños y posiblemente más desconcertantes del litio. Al sangrar las películas de litio con una sonda con punta de diamante para deformar el metal, los investigadores exploran cómo reacciona el metal a la presión. Sus resultados confirman la fuerza inesperadamente alta del litio a escalas de pequeña longitud informada a principios de este año por investigadores de Cal Tech.

Herbert y Hackney se basan en esa investigación al proporcionar la explicación mecánica de la sorprendentemente alta resistencia del litio.

La capacidad del litio para difundir o reorganizar sus propios átomos o iones en un intento de aliviar la presión impuesta por la punta del penetrador. mostró a los investigadores la importancia de la velocidad a la que se deforma el litio (que está relacionada con la rapidez con la que se cargan y descargan las baterías), así como los efectos de defectos y desviaciones en la disposición de los iones de litio que componen el ánodo.

Profundizando para comprender el comportamiento del litio

En el artículo "Nanoindentación de películas de litio depositadas en vapor de alta pureza:módulo elástico, "Los investigadores miden las propiedades elásticas del litio para reflejar los cambios en la orientación física de los iones de litio. Estos resultados enfatizan la necesidad de incorporar las propiedades elásticas dependientes de la orientación del litio en todos los trabajos de simulación futuros. Herbert y Hackney también proporcionan evidencia experimental que indica que el litio puede haber una capacidad mejorada para transformar la energía mecánica en calor a escalas de longitud inferiores a 500 nanómetros.

En el artículo que sigue, "Nanoindentación de películas de litio depositadas en vapor de alta pureza:una racionalización mecanicista del flujo mediado por difusión, "Herbert y Hackney documentan la resistencia notablemente alta del litio en escalas de longitud inferiores a 500 nanómetros, y proporcionan su marco original, que tiene como objetivo explicar cómo la capacidad del litio para gestionar la presión se controla mediante la difusión y la velocidad a la que se deforma el material.

Finalmente, en "Nanoindentación de películas de litio depositadas en vapor de alta pureza:una racionalización mecanicista de la transición de la difusión al flujo mediado por dislocación, “Los autores proporcionan un modelo estadístico que explica las condiciones bajo las cuales el litio experimenta una transición abrupta que facilita aún más su capacidad para aliviar la presión. También proporcionan un modelo que vincula directamente el comportamiento mecánico del litio con el rendimiento de la batería.

"Estamos tratando de comprender los mecanismos mediante los cuales el litio alivia la presión en escalas de longitud que sean proporcionales a los defectos interfaciales". ", Dice Herbert. Mejorar nuestra comprensión de este problema fundamental permitirá directamente el desarrollo de una interfaz estable que promueva la seguridad, Rendimiento de ciclismo a largo plazo y de alta velocidad.

Herbert dice:"Espero que nuestro trabajo tenga un impacto significativo en la dirección que toman las personas al tratar de desarrollar dispositivos de almacenamiento de próxima generación".