Grietas en el litio

Aug 22, 2023

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En lugar de ser únicamente perjudiciales, las grietas en el electrodo positivo de las baterías de iones de litio reducen el tiempo de carga de la batería, según muestra una investigación realizada en la Universidad de Michigan.

Esto va en contra de la opinión de muchos fabricantes de vehículos eléctricos, que intentan minimizar el agrietamiento porque disminuye la longevidad de la batería.

“Muchas empresas están interesadas en fabricar baterías de 'millones de millas' utilizando partículas que no se agrietan. Desafortunadamente, si se eliminan las grietas, las partículas de la batería no podrán cargarse rápidamente sin la superficie adicional de esas grietas”, dijo Yiyang Li, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y autor correspondiente del estudio publicado en Energy and Ciencias Ambientales.

“En un viaje por carretera, no queremos esperar cinco horas para que se cargue el coche. Queremos cargar en 15 o 30 minutos”.

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El equipo cree que los hallazgos se aplican a más de la mitad de todas las baterías de vehículos eléctricos, en las que el electrodo positivo (o cátodo) está compuesto por billones de partículas microscópicas hechas de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto o óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio. En teoría, la velocidad a la que se carga el cátodo se reduce a la relación superficie-volumen de las partículas. Las partículas más pequeñas deberían cargarse más rápido que las partículas más grandes porque tienen una mayor superficie en relación con el volumen, por lo que los iones de litio tienen distancias más cortas para difundirse a través de ellas.

Sin embargo, los métodos convencionales no podían medir directamente las propiedades de carga de las partículas individuales del cátodo, sólo el promedio de todas las partículas que componen el cátodo de la batería. Esa limitación significa que la relación ampliamente aceptada entre la velocidad de carga y el tamaño de las partículas del cátodo era simplemente una suposición.

"Encontramos que las partículas del cátodo están agrietadas y tienen superficies más activas para absorber iones de litio, no sólo en su superficie exterior, sino también en el interior de las grietas de las partículas", dijo Jinhong Min, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales que trabaja en el laboratorio de Li. . "Los científicos de baterías saben que se produce el agrietamiento, pero no han medido cómo dicho agrietamiento afecta la velocidad de carga".

Medir la velocidad de carga de las partículas catódicas individuales fue clave para descubrir las ventajas de romper los cátodos, lo que Li y Min lograron insertando las partículas en un dispositivo que suelen utilizar los neurocientíficos para estudiar cómo las células cerebrales individuales transmiten señales eléctricas.

“Cuando estaba en la escuela de posgrado, un colega que estudiaba neurociencia me mostró estos conjuntos que usaban para estudiar neuronas individuales. Me preguntaba si también podemos utilizarlos para estudiar las partículas de las baterías, que son similares en tamaño a las neuronas”, dijo Li.

Cada conjunto es un chip de 2 por 2 centímetros diseñado a medida con hasta 100 microelectrodos. Después de dispersar algunas partículas del cátodo en el centro del chip, Min movió partículas individuales a sus propios electrodos en la matriz usando una aguja aproximadamente 70 veces más delgada que un cabello humano. Una vez que las partículas estuvieron en su lugar, Min pudo cargar y descargar simultáneamente hasta cuatro partículas individuales a la vez en la matriz y midió 21 partículas en este estudio en particular.

El experimento reveló que la velocidad de carga de las partículas del cátodo no dependía de su tamaño. Li y Min creen que la explicación más probable para este comportamiento inesperado es que las partículas más grandes en realidad se comportan como un conjunto de partículas más pequeñas cuando se agrietan. Otra posibilidad es que los iones de litio se muevan muy rápidamente en los límites de los granos, los pequeños espacios entre los cristales a nanoescala que componen la partícula del cátodo. Li cree que esto es poco probable a menos que el electrolito de la batería (el medio líquido en el que se mueven los iones de litio) penetre estos límites y forme grietas.

Es importante tener en cuenta los beneficios de los materiales agrietados al diseñar baterías de larga duración con partículas monocristalinas que no se agrietan. Para cargarse rápidamente, es posible que estas partículas deban ser más pequeñas que las partículas catódicas de craqueo actuales. La alternativa es fabricar cátodos monocristalinos con diferentes materiales que puedan mover el litio más rápido, pero esos materiales podrían estar limitados por el suministro de metales necesarios o tener densidades de energía más bajas, dijo Li.

Referencia: Min J, Gubow LM, Hargrave RJ, Siegel JB, Li Y. Mediciones directas de tiempos de reacción y difusión de litio independientes del tamaño en partículas de baterías policristalinas individuales. Energía, medio ambiente, ciencia. 2023:10.1039.D3EE00953J. doi: 10.1039/D3EE00953J

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