UCLA allana el camino para un mejor litio

Just_Super/iStock

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Inventadas por John B. Goodenough en la década de 1980, las baterías de iones de litio son una parte indispensable de nuestras vidas. Constituyen sistemas eficaces de almacenamiento de energía eléctrica y se utilizan en electrónica, juguetes, herramientas eléctricas portátiles, pequeños y grandes electrodomésticos, auriculares inalámbricos, vehículos eléctricos, etc.

Pero vienen con sus riesgos y desafíos. Si se cargan demasiado rápido, estas baterías pueden explotar o provocar incendios. Pueden proporcionar corrientes extremadamente altas y descargarse rápidamente cuando se cortocircuitan.

De hecho, más de 100 bicicletas han explotado en la ciudad de Nueva York debido a las baterías de iones de litio que las alimentan. Sólo este año provocó 13 muertes.

Las baterías de iones de litio provienen de otra tecnología: las baterías de metal de litio, que tienen un mayor potencial de explosión, ya que tienen aproximadamente el doble de capacidad de energía.

Una batería de iones de litio almacena átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo. Mientras que una batería de litio-metal recubre el electrodo con litio metálico, que contiene 10 veces más litio en el mismo espacio. Esto le da a este último una batería de mayor rendimiento.

Y ahora, un estudio realizado por un equipo de investigación de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) afirma haber encontrado una manera de evitar que las baterías de litio metálico exploten. Esto podría conducir a baterías de litio-metal más seguras con el potencial de superar a las baterías de iones de litio.

Si se controlan las corrientes de carga y descarga y la temperatura de las baterías, éstas son seguras. Pero el litio metálico puede corroerse inmediatamente cuando el metal se coloca sobre una superficie, como un electrodo, porque reacciona rápidamente con los productos químicos. Pero el equipo de la UCLA desarrolló una técnica que previene esta corrosión.

El equipo evitó la corrosión y descubrió que en lugar de las formas "gruesas" o "en forma de columna" que normalmente adoptaría la estructura de metal de litio, vieron un poliedro singular, que el equipo describe como un "dodecaedro rómbico, una figura de 12 lados". similar a los dados utilizados en juegos de rol como Dungeons and Dragons”, en el comunicado de prensa.

En ausencia de corrosión, el equipo dijo que el poliedro singular tiene la verdadera forma del litio. El descubrimiento puede tener importantes implicaciones para la tecnología energética de alto rendimiento.

"Los científicos e ingenieros han realizado más de dos décadas de investigaciones sobre la síntesis de metales, incluidos el oro, el platino y la plata, en formas como nanocubos, nanoesferas y nanobarras", dijo Yuzhang Li, coautor del estudio. "Ahora que conocemos la forma del litio, la pregunta es: ¿podemos ajustarlo para que forme cubos que puedan empaquetarse densamente para aumentar tanto la seguridad como el rendimiento de las baterías?"

El estudio fue publicado en la revista Nature, revisada por pares.

Resumen del estudio:

La electrodeposición de litio (Li) metálico es fundamental para las baterías de alta energía. Sin embargo, la formación simultánea de una película de corrosión superficial denominada interfase de electrolito sólido (SEI) complica el proceso de deposición, lo que sustenta nuestra escasa comprensión de la electrodoposición de metal Li. Aquí desacoplamos estos dos procesos entrelazados al superar la formación de SEI en densidades de corriente de deposición ultrarrápidas y al mismo tiempo evitar las limitaciones del transporte masivo. Al utilizar microscopía electrónica criogénica, descubrimos que la morfología de deposición intrínseca del Li metálico es la de un dodecaedro rómbico, que es sorprendentemente independiente de la química del electrolito o del sustrato colector de corriente. En una arquitectura de celda de moneda, estos dodecaedros rómbicos exhiben una conectividad de contacto cercano con el colector de corriente, lo que puede acelerar la formación de Li inactivo. Proponemos un protocolo de corriente de pulso que supera este modo de falla aprovechando los dodecaedros rómbicos de Li como semillas de nucleación, lo que permite el crecimiento posterior de Li denso que mejora el rendimiento de la batería en comparación con una línea de base. Si bien la deposición de Li y la formación de SEI siempre han estado estrechamente vinculadas en estudios anteriores, nuestro enfoque experimental brinda nuevas oportunidades para comprender fundamentalmente estos procesos desacoplados entre sí y generar nuevos conocimientos para diseñar mejores baterías.