Una examen atómica a las baterías ricas en litio

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Las baterías han recorrido un largo camino desde que Volta apiló por primera vez los discos de cobre y zinc hace 200 años. Aunque la tecnología ha seguido evolucionando desde el ácido de plomo hasta el ión de litio, todavía existen muchos desafíos, como lograr una mayor densidad y suprimir el crecimiento de dendrita. Los expertos se apresuran a responder a la creciente necesidad mundial de baterías seguras y energéticamente eficientes.

La electrificación de vehículos pesados ​​y aviones requiere baterías con una mayor densidad energética. Un equipo de investigadores cree que se necesita un cambio de paradigma para tener un impacto significativo en la tecnología de baterías para estas industrias. Este cambio se beneficiaría del mecanismo de reducción-oxidación aniónica en cátodos ricos en litio. Resultados publicados en Naturaleza marque la primera vez que la observación directa de esta reacción redox aniónica se ha observado en un material de batería rico en litio.

Las instituciones colaboradoras incluyeron la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad Northeastern, la Universidad de Tecnología Lappeenranta-Lahti (LUT) en Finlandia e instituciones en Japón como la Universidad de Gunma, el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI), la Universidad Nacional de Yokohama, la Universidad de Kyoto y la Universidad Ritsumeikan.

Los óxidos ricos en litio son clases prometedoras de materiales catódicos porque se ha demostrado que tienen una capacidad de almacenamiento mucho mayor. Pero existe un “problema Y” que los materiales de la batería deben cumplir: el material debe poder cargarse rápidamente, ser estable en temperaturas extremas y funcionar de manera confiable durante miles de ciclos. Los científicos necesitan una comprensión clara de cómo funcionan estos óxidos a nivel atómico y cómo sus mecanismos electroquímicos subyacentes juegan un papel para abordar este problema.

Las baterías normales de iones de litio funcionan mediante redox catiónico, cuando un ión metálico cambia su estado de oxidación cuando se inserta o extrae litio. Dentro de esta estructura de inserción, solo se puede almacenar un ión de litio por ión metálico. Los cátodos ricos en litio, sin embargo, pueden almacenar mucho más. Los investigadores atribuyen esto al mecanismo redox aniónico, en este caso, redox. Este es el mecanismo que se atribuye a la alta capacitancia de los materiales, que casi duplica el almacenamiento de energía en comparación con los cátodos convencionales. Si bien este mecanismo redox se ha convertido en el principal competidor entre las tecnologías de baterías, representa un pivote en la investigación de la química de materiales.

El equipo buscó proporcionar evidencia concluyente del mecanismo redox utilizando la dispersión de Compton, el fenómeno por el cual un fotón se desvía de una trayectoria recta después de interactuar con una partícula (generalmente un electrón). Los investigadores realizaron sofisticados estudios teóricos y experimentales en SPring-8, la instalación de radiación de sincrotrón de tercera generación más grande del mundo operada por JASRI.

La radiación de sincrotrón consiste en haces estrechos y potentes de radiación electromagnética que se producen cuando los haces de electrones se aceleran a (casi) la velocidad de la luz y se ven obligados a viajar en una trayectoria curva por un campo magnético. La dispersión de Compton se vuelve visible.

Los investigadores observaron cómo el orbital de electrones en el centro de la actividad redox aniónica reversible y estable se puede visualizar y visualizar, determinando su carácter y simetría. Esta primicia científica puede cambiar las reglas del juego para la tecnología de baterías del futuro.

Aunque la investigación anterior ha propuesto explicaciones alternativas del mecanismo redox aniónico, no ha podido proporcionar una imagen clara de los orbitales de electrones de la mecánica cuántica asociados con las reacciones redox porque esto no se puede medir con experimentos estándar.

El equipo de investigación tuvo un “¡Ajá!” momento en el que vieron por primera vez la concordancia redox entre teoría y resultados experimentales. “Nos dimos cuenta de que nuestro análisis podía representar los estados de oxígeno responsables del mecanismo redox, que es algo fundamental para la investigación de baterías”, explicó Hasnain Hafiz, autor principal del estudio que realizó este trabajo durante su período de investigación postdoctoral. asociado en Carnegie Mellon.

“Tenemos evidencia concluyente para apoyar el mecanismo redox aniónico en un material de batería rico en litio”, dijo Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingeniería mecánica en Carnegie Mellon. “Nuestro estudio proporciona una imagen clara de cómo funciona una batería rica en litio a escala atómica y sugiere vías para el diseño de cátodos de próxima generación para permitir la aviación eléctrica. El diseño de cátodos de alta densidad de energía representa la próxima frontera. Para las baterías. “

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Facultad de Ingeniería, Universidad Carnegie Mellon. Original escrito por Lisa Kulick. Nota: El contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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