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¿Nueva ruta para mejorar las baterías de litio recargables?
Las superficies lisas pueden evitar que los depósitos dañinos entren en un electrolito sólido.
Fecha: 13 de julio de 2017
Fuente: Instituto de Tecnología de Massachusetts
Resumen: En un estudio que sugiere una ruta para mejorar las baterías de litio recargables, los investigadores informan que las superficies lisas pueden evitar depósitos dañinos de trabajar su camino en un electrolito sólido.
Una nueva investigación sugiere que lograr superficies más lisas en un electrolito sólido podría eliminar o reducir en gran medida el problema de la formación de dendritas
La mayoría de las baterías de iones de litio de hoy en día, que alimentan todo, desde coches a teléfonos, utilizan un líquido como el electrolito entre dos electrodos. El uso de un electrolito sólido en su lugar podría ofrecer grandes ventajas tanto para la seguridad como para la capacidad de almacenamiento de energía, pero los intentos de hacer esto han enfrentado retos inesperados.
Los investigadores ahora informan que el problema puede ser una interpretación incorrecta de cómo estas baterías fallan. Los nuevos hallazgos, que podrían abrir nuevas vías para el desarrollo de baterías de litio con electrolitos sólidos, se informan en la revista Advanced Energy Materials, en un documento de Yet-Ming Chiang, el profesor de cerámica Kyocera en MIT; W. Craig Carter, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la POSCO en el MIT; Y otros ocho.
El electrolito en una batería es el material entre los electrodos positivo y negativo - una especie de relleno en el sándwich de la batería. Cada vez que la batería se carga o drena, los iones (átomos o moléculas cargadas eléctricamente) atraviesan el electrolito de un electrodo a otro.
Pero estos electrolitos líquidos pueden ser inflamables, y han sido responsables de algunos incendios causados por tales baterías. También son propensos a la formación de dendritas - delgadas proyecciones de metal que se acumulan en un electrodo y, si alcanzan todo el camino hasta el otro electrodo, pueden crear un cortocircuito que podría dañar la batería.
Los investigadores han tratado de superar estos problemas mediante el uso de un electrolito hecho de materiales sólidos, como algunas cerámicas. Esto podría eliminar la cuestión de la inflamabilidad y ofrecer otros grandes beneficios, pero las pruebas han demostrado que estos materiales tienden a realizar algo errático y son más propensos a los cortocircuitos de lo esperado.
El problema, según este estudio, es que los investigadores se han centrado en las propiedades equivocadas en su búsqueda de un material electrolítico sólido. La idea predominante era que la firmeza del material (una propiedad llamada módulo de cizalladura) determinó si las dendritas podrían penetrar en el electrolito. Pero el nuevo análisis demostró que es la suavidad de la superficie lo que más importa. Los rayos microscópicos y los arañazos en la superficie del electrolito pueden proporcionar un toehold para que los depósitos metálicos comience a forzar su manera adentro, los investigadores encontraron.
Esto sugiere, según Chiang, que simplemente centrarse en lograr superficies más lisas podría eliminar o reducir en gran medida el problema de la formación de dendritas en las baterías con un electrolito sólido. Además de evitar el problema de inflamabilidad asociado con los electrolitos líquidos, este enfoque podría permitir también el uso de un electrodo sólido de litio metálico. Hacerlo podría potencialmente duplicar la capacidad de energía de una batería de iones de litio, es decir, su capacidad de almacenar energía para un peso determinado, lo cual es crucial tanto para los vehículos como para los dispositivos portátiles.
"La formación de dendritas, que conduce a eventuales fallos de cortocircuito, ha sido la razón principal de que las baterías recargables de litio-metal no han sido posibles", explica Chiang. (Los electrodos de litio-metal se utilizan comúnmente en baterías no recargables, pero eso se debe a que las dendritas sólo se forman durante el proceso de carga).
El problema de la formación de dendritas en las baterías recargables de litio fue reconocido por primera vez a principios de los años setenta, dice Chiang, "y 45 años después ese problema aún no se ha resuelto, pero el objetivo sigue siendo tentador", debido al potencial de duplicar la capacidad de una batería Utilizando electrodos de metal de litio.
En los últimos años, varios grupos han estado tratando de desarrollar electrolitos sólidos como una forma de permitir el uso de electrodos de metal de litio. Hay dos tipos principales en los que se trabaja, dice Chiang: sulfuros de fósforo de litio y óxidos metálicos. Con todos estos esfuerzos de investigación, uno de los pensamientos predominantes era que el material necesitaba ser rígido, no elástico. Pero estos materiales han tendido a mostrar resultados inconsistentes y confusos en las pruebas de laboratorio.
La idea tiene sentido, dice Chiang - un material más rígido debe ser más resistente a algo que intenta presionar en su superficie. Pero el nuevo trabajo, en el que el equipo probó muestras de cuatro variedades diferentes de materiales electrolíticos sólidos potenciales y observó los detalles de cómo se realizaron durante los ciclos de carga y descarga, demostró que la forma en que las dendritas se forman en materiales sólidos rígidos sigue un proceso completamente diferente Que los que se forman en electrolitos líquidos.
En las superficies sólidas, el litio de uno de los electrodos comienza a ser depositado, a través de una reacción electroquímica, sobre cualquier defecto minúsculo que exista en la superficie del electrolito, incluyendo pequeñas grietas, grietas y arañazos. Una vez que el depósito inicial se forma en tal defecto, continúa construyendo - y, sorprendentemente, la acumulación se extiende desde la punta de la dendrita, no desde su base, ya que fuerza su camino hacia el sólido, actuando como una cuña a medida que va y Abriendo una grieta cada vez más amplia.
Estos materiales son "muy sensibles al número y tamaño del defecto superficial
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