Como la demanda de teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos, y la energía renovable sigue aumentando, Los científicos están buscando formas de mejorar las baterías de iones de litio, el tipo de batería más común que se encuentra en la electrónica doméstica y una solución prometedora para el almacenamiento de energía a escala de red. El aumento de la densidad energética de las baterías de iones de litio podría facilitar el desarrollo de tecnologías avanzadas con baterías de larga duración. así como el uso generalizado de energía eólica y solar. Ahora, los investigadores han logrado un progreso significativo hacia el logro de ese objetivo.

Una colaboración liderada por científicos de la Universidad de Maryland (UMD), el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), y el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. han desarrollado y estudiado un nuevo material de cátodo que podría triplicar la densidad de energía de los electrodos de las baterías de iones de litio. Su investigación fue publicada el 13 de junio en Comunicaciones de la naturaleza .

"Las baterías de iones de litio constan de un ánodo y un cátodo, "dijo Xiulin Fan, científico de la UMD y uno de los autores principales del artículo. "En comparación con la gran capacidad de los ánodos de grafito comerciales utilizados en las baterías de iones de litio, la capacidad de los cátodos es mucho más limitada. Los materiales del cátodo son siempre el cuello de botella para mejorar aún más la densidad de energía de las baterías de iones de litio ".

Los científicos de la UMD sintetizaron un nuevo material de cátodo, una forma modificada y diseñada de trifluoruro de hierro (FeF3), que se compone de elementos rentables y ambientalmente benignos:hierro y flúor. Los investigadores se han interesado en el uso de compuestos químicos como el FeF3 en las baterías de iones de litio porque ofrecen capacidades inherentemente más altas que los materiales catódicos tradicionales.

"Los materiales que se utilizan normalmente en las baterías de iones de litio se basan en la química de intercalación, "dijo Enyuan Hu, químico de Brookhaven y uno de los autores principales del artículo. "Este tipo de reacción química es muy eficaz; sin embargo, solo transfiere un solo electrón, por lo que la capacidad del cátodo es limitada. Algunos compuestos como el FeF3 son capaces de transferir múltiples electrones a través de un mecanismo de reacción más complejo, llamada reacción de conversión ".

A pesar del potencial del FeF3 para aumentar la capacidad del cátodo, Históricamente, el compuesto no ha funcionado bien en baterías de iones de litio debido a tres complicaciones con su reacción de conversión:baja eficiencia energética (histéresis), una velocidad de reacción lenta, y reacciones secundarias que pueden causar una mala vida cíclica. Para superar estos desafíos, los científicos agregaron átomos de cobalto y oxígeno a nanobarras de FeF3 a través de un proceso llamado sustitución química. Esto permitió a los científicos manipular la vía de reacción y hacerla más "reversible".

"Cuando se insertan iones de litio en FeF3, el material se convierte en hierro y fluoruro de litio, "dijo Sooyeon Hwang, coautor del artículo y científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven. "Sin embargo, la reacción no es completamente reversible. Después de sustituir con cobalto y oxígeno, la estructura principal del material del cátodo se mantiene mejor y la reacción se vuelve más reversible ".

Para investigar la vía de reacción, los científicos llevaron a cabo múltiples experimentos en CFN y la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II), dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven.

Primero en CFN, Los investigadores utilizaron un potente haz de electrones para observar las nanovarillas de FeF3 con una resolución de 0,1 nanómetros, una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión (TEM). El experimento TEM permitió a los investigadores determinar el tamaño exacto de las nanopartículas en la estructura del cátodo y analizar cómo cambiaba la estructura entre las diferentes fases del proceso de carga y descarga. Vieron una velocidad de reacción más rápida para las nanovarillas sustituidas.

"TEM es una herramienta poderosa para caracterizar materiales a escalas de longitud muy pequeñas, y también es capaz de investigar el proceso de reacción en tiempo real, "dijo Dong Su, científico de CFN y coautor del estudio. "Sin embargo, solo podemos ver un área muy limitada de la muestra usando TEM. Necesitábamos confiar en las técnicas de sincrotrón de NSLS-II para comprender cómo funciona toda la batería ".

En la línea de luz de Difracción de Polvo de Rayos X (XPD) de NSLS-II, los científicos dirigieron rayos X ultrabrillantes a través del material del cátodo. Al analizar cómo se dispersó la luz, los científicos pudieron "ver" información adicional sobre la estructura del material.

"En XPD, Realizamos mediciones de la función de distribución de pares (PDF), que son capaces de detectar pedidos locales de hierro en un gran volumen, "dijo Jianming Bai, coautor del artículo y científico de NSLS-II. "El análisis PDF de los cátodos descargados reveló claramente que la sustitución química promueve la reversibilidad electroquímica".

La combinación de técnicas de microscopía y de imagen altamente avanzadas en CFN y NSLS-II fue un paso crítico para evaluar la funcionalidad del material del cátodo.

“También realizamos enfoques computacionales avanzados basados ​​en la teoría funcional de la densidad para descifrar el mecanismo de reacción a escala atómica, "dijo Xiao Ji, científico de la UMD y coautor del artículo. "Este enfoque reveló que la sustitución química cambió la reacción a un estado altamente reversible al reducir el tamaño de partícula del hierro y estabilizar la fase sal de roca". Los científicos de la UMD dicen que esta estrategia de investigación podría aplicarse a otros materiales de conversión de alta energía, y los estudios futuros pueden utilizar el enfoque para mejorar otros sistemas de baterías.