Los científicos han descubierto una causa fundamental del crecimiento de estructuras en forma de aguja, conocidas como dendritas y bigotes, que afectan a las baterías de litio. a veces provocando un cortocircuito, falla, o incluso un incendio.

El equipo, dirigido por Chongmin Wang en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, ha demostrado que la presencia de ciertos compuestos en el electrolito, el material líquido que hace posible la química crítica de una batería, provoca el crecimiento de dendritas y bigotes. El equipo espera que el descubrimiento conduzca a nuevas formas de prevenir su crecimiento manipulando los ingredientes de la batería. Los resultados se publicaron en línea el 14 de octubre en Nanotecnología de la naturaleza .

Las dendritas son diminutas estructuras rígidas en forma de árbol que pueden crecer dentro de una batería de litio; sus proyecciones en forma de aguja se llaman bigotes. Ambos causan un daño tremendo; notablemente, pueden perforar una estructura conocida como separador dentro de una batería, al igual que una maleza puede atravesar un patio de concreto o una carretera pavimentada. También aumentan las reacciones no deseadas entre el electrolito y el litio, acelerando la falla de la batería. Las dendritas y los bigotes están frenando el uso generalizado de baterías de metal de litio, que tienen una densidad de energía más alta que sus contrapartes de iones de litio de uso común.

El equipo de PNNL descubrió que el origen de los bigotes en una batería de metal de litio se encuentra en una estructura conocida como "SEI" o interfase de electrolitos sólidos. una película donde la superficie sólida de litio del ánodo se encuentra con el electrolito líquido. Más lejos, los científicos identificaron a un culpable en el proceso de crecimiento:carbonato de etileno, un disolvente indispensable añadido al electrolito para mejorar el rendimiento de la batería.

Resulta que el carbonato de etileno deja la batería vulnerable a daños.

Captura de acción en rápido movimiento dentro de las baterías de litio

Los hallazgos del equipo incluyen videos que muestran el crecimiento paso a paso de un bigote dentro de una batería de metal de litio de tamaño nanométrico especialmente diseñada para el estudio.

Una dendrita comienza cuando los iones de litio comienzan a agruparse, o "nucleado, "en la superficie del ánodo, formando una partícula que significa el nacimiento de una dendrita. La estructura crece lentamente a medida que crecen más y más átomos de litio, creciendo de la misma manera que crece una estalagmita del suelo de una cueva. El equipo descubrió que la dinámica energética en la superficie del SEI empuja más iones de litio hacia la columna de crecimiento lento. Luego, repentinamente, un bigote sale disparado.

No fue fácil para el equipo capturar la acción. Para hacerlo los científicos integraron un microscopio de fuerza atómica (AFM) y un microscopio electrónico de transmisión ambiental (ETEM), un instrumento muy apreciado que permite a los científicos estudiar una batería en funcionamiento en condiciones reales.

El equipo usó el AFM para medir la pequeña fuerza del bigote a medida que crecía. Al igual que un médico mide la fuerza de la mano de un paciente pidiéndole que empuje hacia arriba contra las manos extendidas del médico, El equipo de PNNL midió la fuerza del bigote en crecimiento empujando hacia abajo su punta con el voladizo del AFM y midiendo la fuerza que ejercía la dendrita durante su crecimiento.

La receta del electrolito.

El equipo descubrió que el nivel de carbonato de etileno se correlaciona directamente con el crecimiento de las dendritas y los bigotes. Cuanto más material puso el equipo en el electrolito, cuanto más crecían los bigotes. Los científicos experimentaron con la mezcla de electrolitos, cambiando los ingredientes en un esfuerzo por reducir las dendritas. Algunos cambios, como la adición de ciclohexanona, impidió el crecimiento de dendritas y bigotes.

"No queremos simplemente suprimir el crecimiento de las dendritas; queremos llegar a la causa raíz y eliminarlas, "dijo Wang, un autor correspondiente del artículo junto con Wu Xu. "Nos basamos en la experiencia de nuestros colegas que tienen experiencia en electroquímica. Mi esperanza es que nuestros hallazgos estimulen a la comunidad a considerar este problema de nuevas formas. Claramente, se necesita más investigación ".

Comprender qué causa que los bigotes comiencen y crezcan conducirá a nuevas ideas para eliminarlos o al menos controlarlos para minimizar el daño. añadió el primer autor Yang He. Él y el equipo rastrearon cómo responden los bigotes a un obstáculo, ya sea pandeo, flexible, retorciéndose o detenerse. Una mayor comprensión podría ayudar a despejar el camino para el amplio uso de baterías de metal de litio en automóviles eléctricos, laptops, teléfonos móviles, y otras áreas.