Los investigadores pueden haber determinado por qué los materiales de los electrodos bastante frágiles en las baterías no se agrietan bajo la tensión de los ciclos de expansión y contracción cuando se usan y recargan. Crédito:Jose-Luis Olivares / MIT
Cuando carga una batería, o cuando lo usas, no es solo electricidad, sino también materia que se mueve por el interior. Iones que son átomos o moléculas que tienen carga eléctrica, viajar de uno de los electrodos de la batería al otro, haciendo que los electrodos se contraigan y se hinchen. De hecho, Ha sido un misterio de larga data por qué los materiales de los electrodos bastante frágiles no se agrietan bajo la tensión de estos ciclos de expansión y contracción.
Puede que finalmente se haya encontrado la respuesta. Un equipo de investigadores del MIT, la Universidad del Sur de Dinamarca, Universidad de Rice, y el Laboratorio Nacional Argonne ha determinado que el secreto está en la estructura molecular de los electrodos. Si bien los materiales de los electrodos son normalmente cristalinos, con todos sus átomos perfectamente ordenados en forma regular, matriz repetitiva, cuando se someten al proceso de carga o descarga, se transforman en un desordenado, fase vítrea que puede adaptarse a la tensión de los cambios dimensionales.
Los nuevos hallazgos, lo que podría afectar el diseño futuro de la batería e incluso conducir a nuevos tipos de actuadores, se informan en la revista Nano letras , en un artículo del profesor de ciencia e ingeniería de materiales del MIT Yet-Ming Chiang, estudiantes graduados Kai Xiang y Wenting Xing, y otros ocho.
En teoria, si tuviera que estirar una batería de iones de litio sobre un punto de apoyo, con un electrodo a cada lado, Chiang dice, "Subía y bajaba como un balancín" mientras se cargaba y descargaba. El cambio de masa a medida que los iones se desplazan de un lado a otro también se acompaña de una expansión o contracción que puede variar, dependiendo del material, "del 1 por ciento más o menos, todo el camino hasta el silicio, que puede expandirse en un 300 por ciento, " él dice.
Estas imagenes, hecho por microscopía electrónica de transmisión, mostrar la progresión del material del electrodo de sodio-olivino, primero en el material de partida original en forma de polvo (a); después de que se inserta sodio en diferentes concentraciones (byc); y tras un amorfo, Se forma una estructura vítrea entre pequeñas áreas de estructura microcristalina (dye). Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta investigación se ocupó de un tipo diferente de batería, llamada batería de iones de sodio. Los científicos observaron una clase particular de materiales vistos como posibles cátodos de batería (electrodos positivos), llamados fosfoolivinos, y específicamente en sodio-hierro-fosfato (NaFePO 4 ). Descubrieron que es posible ajustar los cambios de volumen en un rango muy amplio, cambiando no solo cuánto se expande y contrae el material, sino también la dinámica de cómo lo hace. Para algunas composiciones, la expansión es muy lenta y gradual, pero para otros puede aumentar repentinamente.
"Dentro de esta familia de olivinos, "Chiang dice, "podemos tener esto lento, cambio escalonado, "que abarca todo el rango desde una carga casi nula hasta una potencia muy alta. Alternativamente, el cambio puede ser "algo muy drástico, "como es el caso de NaFePO 4 , que cambia rápidamente su volumen en aproximadamente un 17 por ciento.
"Sabemos que los compuestos frágiles como este normalmente se fracturarían con menos del 1 por ciento de cambio de volumen, ", Dice Chiang." Entonces, ¿cómo se adapta este material a cambios de volumen tan grandes? Lo que encontramos en un sentido, es que el cristal se rinde y forma un cristal desordenado "en lugar de mantener su celosía ordenada con precisión".
"Este es un mecanismo que creemos que podría aplicarse de manera más amplia a otros compuestos de este tipo, " él dice, y agregó que el hallazgo puede representar "una nueva forma de crear materiales vidriosos que pueden ser útiles para las baterías". Una vez que se produce el cambio a una composición vítrea, sus cambios de volumen se vuelven graduales en lugar de repentinos, y, como resultado, "puede durar más, ", Dice Chiang.
Estos diagramas ilustran la forma en que los diferentes materiales se expanden cuando se someten a una afluencia de iones. Silicio, A la derecha, tiene uno de los grados de expansión más altos que se conocen. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Los hallazgos podrían proporcionar una nueva herramienta de diseño para aquellos que intentan desarrollar baterías de mayor capacidad, él dice. También podría dar lugar a posibles aplicaciones en las que se podrían utilizar los cambios de volumen, por ejemplo, como actuadores robóticos o como bombas para administrar medicamentos desde dispositivos implantables.
El equipo planea continuar trabajando en formas más fáciles de sintetizar estos compuestos de olivina. y determinar si existe una familia más amplia de materiales cristalinos que comparten esta propiedad de cambio de fase.
Esta investigación proporciona "una contribución fundamental que vincula la electroquímica, mecánico, y aspectos cristalográficos de los electrodos de batería, "dice William Chueh, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, que no estuvo involucrado en este trabajo.
"Los materiales de los electrodos utilizados en las baterías de iones de litio se contraen y expanden durante la carga y descarga, ya menudo de forma desproporcionada dentro de una sola partícula. Si la tensión no se puede acomodar, las fracturas de partículas, eventualmente causando que la batería falle. Esto es similar a una taza de cerámica fría que se agrieta cuando se vierte agua hirviendo demasiado rápido, ", Dice Chueh. Este trabajo" identifica un nuevo mecanismo de alivio de tensión cuando el cambio de volumen es grande, lo que implica que el material pase de un sólido cristalino a uno amorfo en lugar de fracturarse ".
Este descubrimiento él dice, "puede llevar a los científicos a revisar los materiales de las baterías que antes se consideraban inutilizables debido al gran cambio de volumen durante la carga y descarga. También conduciría a mejores modelos predictivos utilizados por los ingenieros para diseñar baterías de nueva generación".
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.
