Según informes de medios extranjeros, un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven (Laboratorio Nacional Brookhaven) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha determinado nuevos detalles sobre el mecanismo de reacción interno de las baterías de ánodo de metal de litio. , Un paso importante para conseguir baterías de vehículos eléctricos más baratas.

Investigadores de baterías en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Fuente de la imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven)

Remanufactura de ánodo de litio

Desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, podemos ver la tradición. Aunque las baterías de litio han permitido que muchas tecnologías se utilicen ampliamente, aún enfrentan desafíos para proporcionar energía de larga distancia para vehículos eléctricos.

Battery500, una alianza liderada por investigadores universitarios financiada por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Departamento de Energía de EE. UU., Tiene como objetivo crear una celda de batería con una densidad de energía de 500Wh / kg. En otras palabras, es el doble de la densidad de energía de las baterías más avanzadas de la actualidad. Con este fin, la alianza se centra en baterías fabricadas con ánodos de metal de litio.

Las baterías de metal de litio utilizan metal de litio como ánodo. Por el contrario, la mayoría de las baterías de litio utilizan grafito como ánodo. “El ánodo de litio es uno de los factores clave para alcanzar el objetivo de densidad de energía de Battery500”, dijeron los investigadores. “La ventaja es que la densidad de energía es el doble que la de las baterías existentes. Primero, la capacidad específica del ánodo es muy alta; en segundo lugar, puede tener una batería de mayor voltaje y la combinación de los dos puede tener una mayor densidad de energía “.

Los científicos han reconocido desde hace mucho tiempo las ventajas de los ánodos de litio; de hecho, el ánodo de metal de litio es el primer ánodo acoplado al cátodo de la batería. Sin embargo, debido a la falta de “reversibilidad” del ánodo, es decir, la capacidad de cargarse mediante una reacción electroquímica reversible, los investigadores de baterías terminaron usando ánodos de grafito en lugar de ánodos de metal de litio para fabricar baterías de litio.

Ahora, después de décadas de progreso, los investigadores confían en realizar un ánodo de metal de litio reversible para superar los límites de las baterías de litio. La clave es la interfaz, la capa de material sólido que se forma en los electrodos de la batería durante la reacción electroquímica.

“Si podemos comprender completamente esta interfaz, puede proporcionar una guía importante para el diseño de materiales y la fabricación de ánodos de litio reversibles”, dijeron los investigadores. “Pero comprender esta interfaz es todo un desafío porque es una capa muy delgada de material, de solo unos pocos nanómetros de espesor, y es sensible al aire y la humedad, por lo que manipular las muestras es complicado”.

Esta interfaz se visualiza en NSLS-II

Para resolver estos desafíos y “ver” la composición química y la estructura de la interfaz, los investigadores utilizaron la Fuente de luz de radiación de sincrotrón nacional II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que produce Rayos X superbrillantes para estudiar las propiedades materiales de la interfaz a escala atómica.

Además de usar las capacidades avanzadas de nSLS-II, el equipo también necesita usar una línea de haz (estación experimental) que pueda detectar todos los componentes de la interfaz, y usar rayos X de alta energía (longitud de onda corta) para detectar cristalinos y fases amorfas.

“El equipo de química adoptó el enfoque multimodo XPD, utilizando dos técnicas diferentes proporcionadas por la línea de luz, el análisis de difracción de rayos X (XRD) y la función de distribución (PDF)”, dijeron los investigadores. “XRD puede estudiar fases cristalinas y PDF puede estudiar fases amorfas”.

Los análisis XRD y PDF revelaron resultados interesantes: existe hidruro de litio (LiH) en la interfaz. Durante décadas, los científicos han estado discutiendo sobre la existencia de LiH en la interfaz, creando incertidumbre sobre el mecanismo de reacción básico que forma la interfaz.

“El LiH y el fluoruro de litio (LiF) tienen estructuras cristalinas muy similares. Nuestra afirmación sobre el descubrimiento de LiH ha sido cuestionada por algunas personas que creen que confundimos LiF con LiH ”, dijo el investigador.

En vista de la controversia involucrada en el estudio y los desafíos técnicos de distinguir LiH de LiF, el equipo de investigación decidió proporcionar múltiples pruebas de la existencia de LiH, incluida la realización de experimentos de exposición al aire.

“Los investigadores dijeron:“ LiF es estable en el aire, pero LiH es inestable. Si exponemos la interfaz al aire húmedo, y si la cantidad de compuesto disminuye con el tiempo, podemos confirmar que de hecho estamos viendo LiH, no LiF, y es LiF. Debido a la dificultad de distinguir LiH de LiF y el experimento de exposición al aire nunca se ha realizado antes, es más probable que LiH se confunda con LiF en muchos informes de la literatura, o no se observe debido a la descomposición de LiH en un ambiente húmedo. ”

Continuó el investigador. “El trabajo de preparación de muestras realizado por PNNL es fundamental para esta investigación. Sospechamos que muchas personas no logran identificar LiH porque sus muestras estuvieron expuestas a un ambiente húmedo antes del experimento “. Si no recogió las muestras correctamente, selle las muestras y envíe las muestras, puede perder LiH. ”

Además de confirmar la existencia de LiH, el equipo también resolvió otro misterio de larga data que rodea a LiF. LiF se ha considerado durante mucho tiempo un componente beneficioso de la interfaz, pero nadie comprende completamente el motivo. El equipo determinó las diferencias estructurales de LiF dentro de la interfaz y la mayoría de las diferencias estructurales de LiF en sí, y descubrió que la primera promovía el transporte de iones de litio entre el ánodo y el cátodo.

Los científicos de baterías del Laboratorio Nacional de Brookhaven, otros laboratorios nacionales y universidades continúan cooperando. Los investigadores dijeron que estos resultados proporcionarán una guía práctica muy necesaria para el desarrollo de ánodos de metal de litio.