Un equipo de investigadores dirigido por químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) ha identificado nuevos detalles del mecanismo de reacción que tiene lugar en las baterías con ánodos de metal de litio. Los resultados, publicado hoy en Nanotecnología de la naturaleza , son un paso importante hacia el desarrollo de encendedor, y baterías más económicas para vehículos eléctricos.

Recreación de ánodos de metal de litio

Las baterías de iones de litio convencionales se pueden encontrar en una variedad de productos electrónicos, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. Si bien las baterías de iones de litio han permitido el uso generalizado de muchas tecnologías, todavía enfrentan desafíos en la propulsión de vehículos eléctricos a largas distancias.

Para construir una batería más adecuada para vehículos eléctricos, investigadores de varios laboratorios nacionales y universidades patrocinadas por el DOE han formado un consorcio llamado Battery500, dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE. Su objetivo es fabricar celdas de batería con una densidad de energía de 500 vatios-hora por kilogramo, que es más del doble de la densidad de energía de las baterías de última generación de hoy. Para hacerlo el consorcio se centra en baterías fabricadas con ánodos de metal de litio.

En comparación con las baterías de iones de litio, que con mayor frecuencia utilizan grafito como ánodo, Las baterías de metal de litio utilizan metal de litio como ánodo.

"Los ánodos de metal de litio son uno de los componentes clave para cumplir con la densidad de energía que busca Battery500, "dijo el químico de Brookhaven Enyuan Hu, autor principal del estudio. "Su ventaja es doble. Primero, su capacidad específica es muy alta; segundo, proporcionan una batería de voltaje algo más alto. La combinación conduce a una mayor densidad de energía ".

Los científicos han reconocido desde hace mucho tiempo las ventajas de los ánodos de metal de litio; De hecho, fueron el primer ánodo acoplado con un cátodo. Pero debido a su falta de "reversibilidad, "la capacidad de recargarse mediante una reacción electroquímica reversible, la comunidad de baterías finalmente reemplazó los ánodos de metal de litio con ánodos de grafito, creando baterías de iones de litio.

Ahora, con décadas de progreso realizado, los investigadores confían en que pueden hacer que los ánodos de metal de litio sean reversibles, superando los límites de las baterías de iones de litio. La clave es la interfase, una capa de material sólido que se forma en el electrodo de la batería durante la reacción electroquímica.

"Si somos capaces de comprender completamente la interfase, Podemos proporcionar una guía importante sobre el diseño de materiales y hacer que los ánodos de metal de litio sean reversibles, "Dijo Hu." Pero entender la interfase es todo un desafío porque es una capa muy delgada con un grosor de solo varios nanómetros. También es muy sensible al aire y a la humedad, haciendo que la manipulación de la muestra sea muy complicada ".

Visualización de la interfase en NSLS-II

Para superar estos desafíos y "ver" la composición química y la estructura de la interfase, los investigadores recurrieron a la fuente de luz nacional de sincrotrón II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven que genera rayos X ultrabrillantes para estudiar las propiedades de los materiales a escala atómica.

"El alto flujo de NSLS-II nos permite mirar una cantidad muy pequeña de la muestra y aún generar datos de muy alta calidad, "Dijo Hu.

Más allá de las capacidades avanzadas de NSLS-II en su conjunto, el equipo de investigación necesitaba utilizar una línea de luz (estación experimental) que fuera capaz de sondear todos los componentes de la interfase, incluidas las fases cristalina y amorfa, con rayos X de alta energía (longitud de onda corta). Esa línea de luz era la línea de luz de Difracción de Polvo de Rayos X (XPD).

"El equipo de química aprovechó un enfoque multimodal en XPD, utilizando dos técnicas diferentes ofrecidas por la línea de luz, Análisis de difracción de rayos X (XRD) y función de distribución de pares (PDF), "dijo Sanjit Ghose, científico líder en líneas de luz en XPD. "XRD puede estudiar la fase cristalina, mientras que PDF puede estudiar la fase amorfa ".

Los análisis de XRD y PDF revelaron resultados emocionantes:la existencia de hidruro de litio (LiH) en la interfase. Por décadas, Los científicos habían debatido si LiH existía en la interfase, dejando incertidumbre en torno al mecanismo de reacción fundamental que forma la interfase.

"Cuando vimos por primera vez la existencia de LiH, estábamos muy emocionados porque esta era la primera vez que se demostró que LiH existía en la interfase utilizando técnicas con confiabilidad estadística. Pero también fuimos cautelosos porque la gente ha estado dudando de esto durante mucho tiempo, "Dijo Hu.

Coautor Xiao-Qing Yang, un físico en la División de Química de Brookhaven, adicional, "El LiH y el fluoruro de litio (LiF) tienen estructuras cristalinas muy similares. Nuestra afirmación de LiH podría haber sido cuestionada por personas que creían que identificamos erróneamente a LiF como LiH".

Dada la controversia en torno a esta investigación, así como los desafíos técnicos que diferencian LiH de LiF, el equipo de investigación decidió proporcionar múltiples líneas de evidencia para la existencia de LiH, incluyendo un experimento de exposición al aire.

"LiF es estable al aire, mientras que LiH no lo es, "Dijo Yang." Si exponemos la interfase al aire con humedad, y si la cantidad del compuesto que se está probando disminuyó con el tiempo, eso confirmaría que vimos a LiH, no LiF. Y eso es exactamente lo que pasó. Debido a que LiH y LiF son difíciles de diferenciar y el experimento de exposición al aire nunca se había realizado antes, Es muy probable que LiH se haya identificado erróneamente como LiF, o no observado debido a la reacción de descomposición de LiH con la humedad, en muchos informes de la literatura ".

Yang continuó, "La preparación de la muestra realizada en PNNL fue fundamental para este trabajo. También sospechamos que muchas personas no pudieron identificar LiH porque sus muestras habían estado expuestas a la humedad antes de la experimentación. Si no recolecta la muestra, sellarlo, y transportarlo correctamente, te lo pierdes ".

Además de identificar la presencia de LiH, el equipo también resolvió otro acertijo de larga data centrado en LiF. Se ha considerado que LiF es un componente favorecido en la interfase, pero no se entendió completamente por qué. El equipo identificó diferencias estructurales entre LiF en la interfase y LiF en general, el primero facilita el transporte de iones de litio entre el ánodo y el cátodo.

"Desde la preparación de muestras hasta el análisis de datos, colaboramos estrechamente con PNNL, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU., y la Universidad de Maryland, "dijo el químico de Brookhaven, Zulipiya Shadike, primer autor del estudio. "Como joven científico, Aprendí mucho sobre cómo realizar un experimento y comunicarme con otros equipos, especially because this is such a challenging topic."

Hu added, "This work was made possible by combining the ambitions of young scientists, wisdom from senior scientists, and patience and resilience of the team."

Beyond the teamwork between institutions, the teamwork between Brookhaven Lab's Chemistry Division and NSLS-II continues to drive new research results and capabilities.

"The battery group in the Chemistry Division works on a variety of problems in the battery field. They work with cathodes, anodes, and electrolytes, and they continue to bring XPD new issues to solve and challenging samples to study, " Ghose said. "That's exciting to be part of, but it also helps me develop methodology for other researchers to use at my beamline. En la actualidad, we are developing the capability to run in situ and operando experiments, so researchers can scan the entire battery with higher spatial resolution as a battery is cycling."

The scientists are continuing to collaborate on battery research across Brookhaven Lab departments, other national labs, and universities. They say the results of this study will provide much-needed practical guidance on lithium metal anodes, propelling research on this promising material forward.