Desde su descubrimiento hace 15 años, fosfato de hierro y litio (LiFePO ₄ ) se ha convertido en uno de los materiales más prometedores para baterías recargables debido a su estabilidad, durabilidad, seguridad y capacidad para entregar mucha potencia a la vez. Ha sido el foco de importantes proyectos de investigación en todo el mundo, y una tecnología líder utilizada en todo, desde herramientas eléctricas hasta vehículos eléctricos. Pero a pesar de este interés generalizado, Las razones de las características inusuales de carga y descarga del fosfato de hierro y litio siguen sin estar claras.

Ahora, La investigación realizada por el profesor asociado de ingeniería química y matemáticas del MIT, Martin Z. Bazant, ha proporcionado nuevos resultados sorprendentes que muestran que el material se comporta de manera bastante diferente de lo que se pensaba. ayudando a explicar su rendimiento y posiblemente abriendo la puerta al descubrimiento de materiales de batería aún más efectivos.

Los nuevos conocimientos sobre el comportamiento del fosfato de hierro y litio se detallan en un artículo que aparece esta semana en la revista. ACS Nano , escrito por Bazant y postdoctorado Daniel Cogswell. El artículo es una extensión de la investigación que informaron a fines del año pasado en la revista. Nano letras .

Cuando se descubrió por primera vez, El fosfato de hierro y litio se consideró útil solo para aplicaciones de baja potencia. Luego, desarrollos posteriores - por investigadores como Yet-Ming Chiang del MIT, el profesor de cerámica de Kyocera - demostró que su capacidad de potencia podría mejorarse drásticamente si se usa en forma de nanopartículas, un enfoque que lo convirtió en uno de los mejores materiales conocidos para aplicaciones de alta potencia.

Pero las razones por las que las nanopartículas de LiFePO ₄ funcionó tan bien que siguió siendo difícil de alcanzar. Se creía ampliamente que mientras se cargaba o descargaba, el material a granel se separó en diferentes fases con muy diferentes concentraciones de litio; esta separación de fases, se pensó, limitado la capacidad de potencia del material. Pero la nueva investigación muestra que, en muchas condiciones del mundo real, esta separación nunca ocurre.

La teoría de Bazant predice que por encima de una corriente crítica, la reacción es tan rápida que el material pierde su tendencia a la separación de fases que ocurre a niveles de potencia más bajos. Justo debajo de la corriente crítica, el material pasa por un nuevo estado de "solución cuasi-sólida", donde "no tiene tiempo para completar la separación de fases, " él dice. Estas características ayudan a explicar por qué este material es tan bueno para baterías recargables, él dice.

Los hallazgos resultaron de una combinación de análisis teórico, modelos informáticos y experimentos de laboratorio, Bazant explica:un enfoque interdisciplinario que refleja sus propios nombramientos conjuntos en los departamentos de ingeniería química y matemáticas del MIT.

Los análisis previos de este material habían examinado su comportamiento en un solo momento, ignorando la dinámica de su comportamiento. Pero Bazant y Cogswell estudiaron cómo cambia el material mientras está en uso, ya sea durante la carga o descarga de una batería, y sus propiedades cambiantes con el tiempo resultaron ser cruciales para comprender su rendimiento.

"Esto no se ha hecho antes, ”Dice Bazant. Lo que encontraron él añade, es un fenómeno completamente nuevo, y uno que podría ser importante para comprender el rendimiento de muchos materiales de la batería, lo que significa que este trabajo podría ser significativo incluso si el fosfato de hierro y litio termina siendo abandonado en favor de otros materiales nuevos.

Los investigadores habían pensado que el litio absorbe gradualmente las partículas de afuera hacia adentro, produciendo un núcleo encogido de material pobre en litio en el centro. Lo que encontró el equipo del MIT fue bastante diferente:a baja corriente, el litio forma bandas rectas paralelas de material enriquecido dentro de cada partícula, y las bandas viajan a través de las partículas a medida que se cargan. Pero a niveles más altos de corriente eléctrica, no hay separación en absoluto, ya sea en bandas o en capas; en lugar de, cada partícula absorbe el litio de una vez, transformándose casi instantáneamente de pobres en litio a ricos en litio.

El nuevo hallazgo también ayuda a explicar la durabilidad del fosfato de hierro y litio. Cuando hay rayas de diferentes fases presentes, los límites entre esas franjas son una fuente de tensión que puede causar grietas y una degradación gradual del rendimiento. Pero cuando todo el material cambia a la vez, no existen tales fronteras y, por lo tanto, menos degradación.

Ese es un hallazgo inusual, Bazant dice:"Normalmente, si estás haciendo algo más rápido, haces mas daño, pero en este caso es todo lo contrario ". Similar, él y Cogswell predicen que operar a una temperatura ligeramente más alta en realidad haría que el material dure más tiempo, que va en contra del comportamiento típico del material.

Además de ver cómo cambia el material con el tiempo, comprender cómo funciona implicaba mirar el material a escalas que otros no habían examinado:si bien se habían realizado muchos análisis a nivel de átomos y moléculas, Resultó que los fenómenos clave solo podían verse a la escala de las propias nanopartículas, Bazant dice:muchos miles de veces más grande. "Es un efecto que depende del tamaño, " él dice.

El profesor de ciencia de materiales del MIT, Gerbrand Ceder, observó y escribió sobre el comportamiento del fosfato de hierro y litio en los altos niveles actuales el año pasado; ahora, El análisis teórico de Bazant podría conducir a una comprensión más amplia no solo de este material, pero también de otros que pueden sufrir cambios similares.

Troy Farrell, profesor asociado de matemáticas en la Universidad Tecnológica de Queensland en Australia, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice que estos hallazgos son de gran importancia para quienes realizan investigaciones sobre baterías de litio. Agrega que esta nueva comprensión “permite a los científicos de materiales desarrollar nuevas estructuras y compuestos que, en última instancia, conducen a baterías que tienen una vida útil más larga y una mayor densidad de energía. Esto es lo que se requiere si la tecnología de baterías se va a utilizar en aplicaciones de alta potencia como los vehículos eléctricos ”.

Entender por qué el fosfato de hierro y litio funciona tan bien fue "uno de los acertijos científicos más interesantes que he encontrado, ”Dice Bazant. "Me tomó cinco años darme cuenta de esto".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.