Ver para creer o, más bien, ver puede ayudar a comprender, especialmente cuando se trata de los mecanismos que sustentan las baterías de iones de litio. A pesar del uso casi omnipresente en teléfonos celulares, computadoras y más, los entornos electroquímicos complejos de las baterías de iones de litio siguen siendo turbios.

Para comprender mejor y mejorar el rendimiento de la batería, los investigadores examinaron la literatura científica actual y utilizaron microscopía electrónica para observar más de cerca los mecanismos de transferencia de carga y migración de iones de litio que producen energía. Este estudio fue publicado en Nano Research Energy .

"Las baterías comerciales de iones de litio se utilizan ampliamente como dispositivos de almacenamiento de energía, incluidos los vehículos eléctricos, los dispositivos electrónicos portátiles y el almacenamiento de energía de la red", dijo Yi Ding, profesor de la Universidad Tecnológica de Tianjin. "La energía, la potencia, la tasa de carga y descarga, el costo, el ciclo de vida, la seguridad y el impacto ambiental deben tenerse en cuenta al adoptar baterías de iones de litio para una aplicación adecuada, pero cada aplicación específica enfrenta una variedad de desafíos diferentes".

La cantidad de energía almacenada es importante para los dispositivos electrónicos portátiles, mientras que el costo y la seguridad son más importantes para los vehículos eléctricos, por ejemplo. El costo y la seguridad también son importantes para las necesidades de la red de energía, pero la densidad de energía se vuelve menor que para los vehículos eléctricos. La compensación entre estos elementos cambia según la necesidad, pero la capacidad de ajustar el rendimiento está limitada por una comprensión incompleta de los materiales utilizados en las baterías.

"Los materiales de los electrodos activos son la parte principal responsable de la química y el rendimiento de la celda y, en última instancia, afectan la comercialización de la batería construida", dijo Ding.

"El rendimiento, como el ciclo de vida y la densidad de energía, de los sistemas de materiales de electrodos comerciales existentes aún debe mejorarse, por lo que es importante comprender las propiedades físicas y químicas inherentes, como la evolución/cinética estructural durante el desembebido de litio y el efecto de la interfaz electrodo-electrolito en el rendimiento de las baterías de iones de litio".

Los investigadores revisaron los avances recientes en microscopía electrónica para ver cómo las técnicas de caracterización tradicionales están a la altura cuando se trata de comprender las relaciones estructura-actividad de las baterías comerciales de iones de litio.

"Al comparar con el contenido de caracterización obtenido por las técnicas de caracterización tradicionales, como la difracción de rayos X y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, ilustramos las ventajas y limitaciones de los microscopios electrónicos comunes y las técnicas de caracterización microscópica electrónica avanzada recientemente desarrolladas, como el microscopio electrónico in situ. tecnología de microscopía, en esta investigación crítica", dijo Ding.

Los investigadores examinaron cómo la microscopía electrónica avanzada y las técnicas de caracterización asociadas pueden proporcionar diferentes conocimientos sobre cómo, por ejemplo, los iones de litio migran en la batería para producir carga o cómo la transferencia de carga puede desencadenar el uso de energía.

Se centraron específicamente en la disolución de metales de transición y el mecanismo de transferencia de carga en el proceso de carga y descarga de los electrodos positivos de las baterías de iones de litio; la estructura y evolución de las interfaces cátodo-electrodo y la interfase de electrolito sólido durante ciclos a largo plazo; y el efecto de la estructura del electrodo y la interfaz en la migración de iones de litio.

La conclusión, según Ding, es que se necesitan tecnologías de baterías de iones de litio de próxima generación con mejores beneficios de costo y rendimiento.

"Proponemos la posibilidad de combinar la microscopía electrónica con otras técnicas para obtener información más completa", dijo Ding, y señaló que la microscopía electrónica tiene tres limitaciones comunes en la evaluación de baterías.

Estos incluyen entornos electroquímicos inconsistentes entre los campos de microscopía electrónica y las baterías reales; ventanas de tiempo inestables que pueden sesgar los datos relacionados con la evolución de la muestra; y ciertas baterías no pueden evaluarse cuantitativamente a nanoescala. "Incluso con limitaciones, estas discusiones permiten a los investigadores obtener una comprensión más profunda de cómo funcionan las baterías comerciales de iones de litio a microescala y brindan orientación para las estrategias de diseño de baterías prácticas de alto rendimiento", señalaron los investigadores. + Explora más

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