La microscopía electrónica de un nanoalambre de dióxido de manganeso en sección transversal muestra su estructura atómica tunelizada, estabilizado por iones de potasio. Los túneles miden alrededor de tres cuartos de nanómetro, o 7.5 ångstroms, en diámetro. El recuadro es un modelo del túnel visto a lo largo de su eje. Crédito:Reza Shahbazian-Yassar / UIC
Los investigadores de baterías que buscan materiales de electrodos mejorados se han centrado en estructuras "tunelizadas" que facilitan que los iones portadores de carga entren y salgan del electrodo. Ahora, un equipo dirigido por un investigador de la Universidad de Illinois en Chicago ha utilizado un microscopio electrónico especial con resolución de nivel atómico para demostrar que ciertos iones grandes pueden mantener abiertos los túneles para que los iones portadores de carga puedan entrar y salir del electrodo fácilmente. y rápido.
El hallazgo se informa en Comunicaciones de la naturaleza .
"Se han realizado importantes investigaciones para aumentar la densidad de energía y la densidad de potencia de los sistemas de baterías de iones de litio, "dice Reza Shahbazian-Yassar, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial en la UIC.
La generación actual, él dijo, es lo suficientemente útil para dispositivos portátiles, pero la máxima energía y potencia que se puede extraer es limitante.
"Entonces, para un automóvil eléctrico, necesitamos aumentar la energía y la potencia de la batería, y también disminuir el costo, " él dijo.
Su equipo, que incluye compañeros de trabajo en el Laboratorio Nacional Argonne, Instituto Tecnológico de Michigan y la Universidad de Bath en el Reino Unido, se ha centrado en desarrollar un cátodo a base de dióxido de manganeso, un material de muy bajo coste y respetuoso con el medio ambiente con una gran capacidad de almacenamiento.
El dióxido de manganeso tiene una estructura de celosía con túneles espaciados regularmente que permiten que los portadores de carga, como los iones de litio, entren y salgan libremente.
"Pero para que los túneles sobrevivan para una función duradera, necesitan estructuras de soporte a escala atómica, ", Dijo Shahbazian-Yassar." Los llamamos estabilizadores de túneles, y generalmente son grandes, iones positivos, como potasio o bario ".
El esquema tridimensional muestra cómo el dopaje con potasio puede facilitar la inserción de iones de litio en el dióxido de manganeso recubierto en un colector de corriente. Crédito:Reza Shahbazian-Yassar / UIC
Pero los estabilizadores del túnel, estando cargados positivamente como los iones de litio, deben repelerse entre sí.
"Si entra litio, ¿Saldrá el estabilizador de túneles? ”Shahbazian-Yassar se encogió de hombros.“ La comunidad de investigadores no estaba de acuerdo sobre el papel de los estabilizadores de túneles durante la transferencia de litio a los túneles. ¿Ayuda? o herido? "
El nuevo estudio representa el primer uso de microscopía electrónica para visualizar la estructura atómica de túneles en un material de electrodo unidimensional, lo que los investigadores dicen que no había sido posible anteriormente debido a la dificultad de preparar muestras. Les tomó dos años establecer el procedimiento para buscar túneles en nanocables de dióxido de manganeso dopados con potasio hasta el nivel de un solo átomo.
Yifei Yuan, un investigador postdoctoral que trabaja conjuntamente en el Laboratorio Nacional de Argonne y la UIC y el autor principal del estudio, Luego pudo utilizar una poderosa técnica llamada microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberración para obtener imágenes de los túneles con una resolución inferior a ångstrom para poder ver claramente dentro de ellos, y vio que cambiaban en presencia de un ion estabilizador.
"Es una forma directa de ver los túneles, "Yuan dijo." Y vimos que cuando agregas un estabilizador de túnel, los túneles se expanden, sus estructuras electrónicas también cambian, y tales cambios permiten que los iones de litio entren y salgan, alrededor del estabilizador ".
El hallazgo muestra que los estabilizadores de túneles pueden ayudar en la transferencia de iones a los túneles y en la tasa de carga y descarga. Dijo Shahbazian-Yassar. La presencia de iones de potasio en los túneles mejora la conductividad electrónica del dióxido de manganeso y la capacidad de los iones de litio para difundirse rápidamente dentro y fuera de los nanocables.
"Con iones de potasio en el centro de los túneles, la capacidad de retención mejora a la mitad con una alta corriente cíclica, lo que significa que la batería puede conservar su capacidad durante más tiempo, " él dijo.
