Las baterías de iones de litio que alimentan las computadoras portátiles, Los coches eléctricos y tantos otros dispositivos modernos funcionan con un plan simple:los iones de litio se desplazan de un lado a otro entre dos electrodos, insertándose en uno de los electrodos cuando la batería se carga y moviéndose hacia el otro cuando la batería se agota. La velocidad y la facilidad de su recorrido a través del electrolito líquido de la batería ayudan a determinar qué tan rápido se puede cargar la batería.

Ahora los científicos han examinado de cerca lo que sucede dentro de unos pocos nanómetros del electrodo, donde las moléculas de electrolito que normalmente se mueven libremente se organizan en capas que se encuentran directamente en los caminos de los iones de litio.

Observaron directamente estas capas por primera vez en experimentos de rayos X en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía. Los resultados sugieren que cambiar la concentración de iones de litio en el electrolito podría cambiar la disposición de las capas moleculares y facilitar que los iones entren y salgan del electrodo.

"Ese proceso en el que los iones encuentran su camino hacia el electrodo es muy importante en términos de qué tan rápido puede cargar la batería y cuánto dura la batería, "dijo Michael Toney, un científico distinguido del personal de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) de SLAC y co-líder del estudio. "Comprender los detalles a nanoescala de cómo funciona esto podría sugerir formas de aumentar la velocidad y la eficiencia de carga".

El informe ha sido aceptado para su publicación en Ciencias de la energía y el medio ambiente , y se publica una copia anticipada en el sitio web de la revista.

Sondando un electrolito comercial

En baterías de iones de litio, el electrolito consiste en litio y otros iones en un solvente, con las moléculas de disolvente moviéndose como lo harían en cualquier otro líquido. Pero según la teoría y las simulaciones informáticas anteriores, Los científicos tenían la fuerte sospecha de que sucedió algo diferente en el diminuto volumen del electrolito que está justo al lado del electrodo. Aquí, Ellos pensaron, la presencia de la superficie dura del electrodo induciría a las moléculas de disolvente a alinearse y formar capas ordenadas. Sin embargo, confirmar esto a través de experimentos resultó difícil.

Para estos últimos experimentos, El equipo de Toney utilizó un material de óxido metálico para representar el electrodo, bañado en un electrolito que se encuentra típicamente en las baterías comerciales de iones de litio.

Al enfocar un haz de rayos X de alto brillo de SSRL en la superficie del electrodo y analizar los rayos X que rebotaron a través del electrolito, como la luz reflejada en un espejo, los investigadores pudieron determinar las estructuras y posiciones de las moléculas de disolvente individuales y los iones de litio que se encontraban a unas pocas mil millonésimas de metro de la superficie del electrodo, dijo Hans-Georg Steinrück, investigador postdoctoral en el grupo de Toney y codirector de los experimentos. Simulaciones de dinámica molecular complementadas y consensuadas con los resultados experimentales.

"Podemos ver las posiciones de los iones y las moléculas de disolvente cerca del electrodo con resolución angstrom, y también ver cómo se orientan en la superficie del electrodo, ", Dijo Steinrück." Están dispuestos en capas bien definidas en el límite, y la primera capa queda plana, paralelo a la superficie del electrodo; luego se vuelven más desordenados, más típico de un líquido, a medida que se aleja de la superficie ”. Estas capas ordenadas dificultan que los iones de litio se muevan rápidamente a través de las capas y hacia el electrodo.

Rangos cambiantes de moléculas

Sin embargo, a medida que aumentaba la concentración de iones de litio en el electrolito, la disposición de las capas cambió; se volvió un poco más ordenado, y las capas estaban más separadas, Dijo Steinrück. Esto llevó a los investigadores a una conclusión que parece casi lo contrario de lo que cabría esperar.

"Nuestra hipótesis es que si desea mejorar el transporte de iones de litio, desea disminuir la cantidad de orden en las capas, y eso significa disminuir la concentración de iones de litio en lugar de aumentarla, " él dijo.

Steinrück dijo que el equipo explorará más a fondo esta vía de investigación, agregando que los conocimientos fundamentales obtenidos con esta técnica también se pueden aplicar a estudios de otros tipos de baterías de próxima generación y sistemas de almacenamiento de energía.