Las baterías de metal de litio son muy prometedoras para el almacenamiento de energía de próxima generación porque el electrodo negativo de metal de litio tiene una capacidad específica teórica 10 veces mayor que el electrodo de grafito utilizado en las baterías comerciales de iones de litio. También tiene el potencial de electrodo más negativo entre los materiales para baterías de litio, convirtiéndolo en un electrodo negativo perfecto. Sin embargo, el litio es uno de los materiales más difíciles de manipular, debido a su mecanismo interno de crecimiento dendrítico. Este proceso altamente complejo aún no se comprende completamente y puede causar que las baterías de iones de litio tengan cortocircuitos ocasionalmente. incendiarse, o incluso explotar.

Si bien los investigadores saben que el crecimiento de las dendritas, que son bigotes de litio en forma de aguja que se forman internamente en los electrodos de la batería, se ve afectado por cómo se mueven los iones en el electrolito, no comprenden cómo el transporte de iones y la concentración iónica no homogénea afectan la morfología de la deposición de litio. El transporte de iones de imágenes en un electrolito transparente ha demostrado ser un gran desafío, y las técnicas actuales no han podido capturar concentraciones iónicas bajas y una dinámica electrolítica ultrarrápida.

Los investigadores de la Universidad de Columbia anunciaron hoy que han utilizado microscopía de dispersión Raman estimulada (SRS), una técnica ampliamente utilizada en estudios biomédicos, explorar el mecanismo detrás del crecimiento de dendrita en baterías de litio y, al hacerlo, se han convertido en el primer equipo de científicos de materiales en observar directamente el transporte de iones en los electrolitos. Descubrieron un proceso de deposición de litio que corresponde a tres etapas:sin agotamiento, un agotamiento parcial (una etapa previamente desconocida), y agotamiento total de los iones de litio. También encontraron un mecanismo de retroalimentación entre el crecimiento de las dendritas de litio y la heterogeneidad de la concentración iónica local que puede ser suprimida por la interfase de electrolitos sólidos artificiales en la segunda y tercera etapas. El artículo se publica en línea en Comunicaciones de la naturaleza .

"Utilizando microscopía de dispersión Raman estimulada, que es lo suficientemente rápido para atrapar el entorno rápidamente cambiante dentro del electrolito, hemos podido descubrir no solo por qué se forman las dendritas de litio, sino también cómo inhibir su crecimiento, "dice Yuan Yang, coautor del estudio y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas en Columbia Engineering. "Nuestros resultados muestran que el transporte de iones y la concentración iónica no homogénea son fundamentales para la formación de dendritas de litio en la superficie del litio. La capacidad de visualizar el movimiento de los iones nos ayudará a mejorar el rendimiento de todo tipo de dispositivos electroquímicos, no solo las baterías, pero también pilas de combustible y sensores ".

Para este estudio, Yang colaboró ​​con Wei Min, profesor de química en la Universidad de Columbia y coautor del estudio. Hace diez años, Min desarrolló SRS con sus colegas como una herramienta para mapear enlaces químicos en muestras biológicas. Yang aprendió sobre la técnica en el sitio web de Min, y se dio cuenta de que SRS podría ser una herramienta valiosa en su investigación de baterías.

"SRS es de tres a seis órdenes de magnitud más rápido que la microscopía Raman espontánea convencional, ", Señaló Yang." Con SRS, podemos adquirir una imagen 3-D de resolución de 300 nm en 10 segundos con una resolución química ~ 10 mM, lo que hace posible obtener imágenes del transporte y la distribución de iones ".

El estudio reveló que hay tres etapas dinámicas en el proceso de deposición de Li:

1. Una deposición lenta y relativamente uniforme de Li similar al musgo cuando la concentración iónica está muy por encima de 0;
2. Un crecimiento mixto de musgo Li y dendritas; En este punto, El agotamiento de Li + ocurre parcialmente cerca del electrodo, y comienzan a aparecer protuberancias de dendrita de litio; y
3. Crecimiento de dendrita después del agotamiento total. Cuando los iones de la superficie se agotan por completo, la deposición de litio estará dominada por el "crecimiento de dendritas" y verá la rápida formación de dendritas de litio.

La etapa 2 es un punto de transición crítico en el que el agotamiento heterogéneo de Li + en la superficie de Li induce a la deposición de litio a crecer desde el "modo de litio musgoso" al "modo de litio dendrítico". En este punto, comienzan a aparecer dos regiones:una región dendrítica donde el litio comienza a depositar dendritas a un ritmo cada vez más rápido, y una región sin dendrita donde la deposición de litio se ralentiza e incluso se detiene. Estos resultados también son consistentes con las predicciones realizadas a partir de simulaciones realizadas por colaboradores de la Universidad Estatal de Pensilvania. Chen de Qing Largo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y su Ph.D. estudiante Zhe Liu.

"El uso inteligente de la microscopía de dispersión Raman estimulada para visualizar la concentración de electrolitos dentro de un electrodo operativo es un avance real en la obtención de imágenes de sistemas electroquímicos, "dice Martin Bazant, profesor de ingeniería química y matemáticas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. "En el caso de la electrodeposición de litio, el vínculo entre el agotamiento de la sal local y el crecimiento dendrítico se observó directamente por primera vez, con importantes implicaciones para el diseño de baterías metálicas recargables seguras ".

Siguiendo sus observaciones, Luego, el equipo de Columbia desarrolló un método para inhibir el crecimiento de dendritas homogeneizando la concentración iónica en la superficie del litio en las etapas 2 y 3.

"Cuando hicimos la distribución de iones de superficie uniforme y mitigamos la heterogeneidad iónica al depositar una interfaz de electrolito sólido artificial, pudimos suprimir la formación de dendrita, "dice el autor principal del estudio, Qian Cheng, investigador postdoctoral en el laboratorio de Yang. "Esto nos da una estrategia para suprimir el crecimiento de dendrita y avanzar hacia la mejora de la densidad de energía de las baterías actuales mientras desarrollamos el almacenamiento de energía de próxima generación".

Min está muy satisfecho de que su técnica SRS se haya convertido en una herramienta tan poderosa para los campos de materiales y energía. "Sin microscopía SRS, no hubiéramos podido ver y validar una correlación tan clara entre la concentración de Li + y el crecimiento de las dendritas, ", dice." Estamos entusiasmados de que más personas en la ciencia de los materiales aprendan sobre esta herramienta. ¿Quién sabe qué veremos a continuación? "