Investigaciones recientes cuestionan la creencia arraigada de que la acumulación de película en los electrodos de las baterías recargables es la principal causa de la degradación del rendimiento. En cambio, se descubrió que estas acumulaciones eran efectos secundarios.
Los investigadores revelan la causa fundamental del fallo de la batería recargable.
Durante décadas, los científicos han asumido que la inevitable acumulación de película en los electrodos dentro de las baterías recargables es la causa de la pérdida de rendimiento. Ahora sabemos que esta visión es al revés.
La acumulación de depósitos de metal litio con una estructura de musgo o de árbol en los electrodos de la batería no es la causa fundamental de la pérdida de rendimiento, sino más bien un efecto secundario. La primera medición directa de las propiedades eléctricas en el límite entre el electrodo sólido y el electrolito líquido dentro de una batería recargable se informó hoy (28 de septiembre) en la revista Nature Energy.
El estudio, dirigido por un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía, muestra que la llamada interfase de electrolito sólido (SEI) no es un aislante electrónico, como se pensaba anteriormente, sino que se comporta como un semiconductor. La investigación resuelve el antiguo misterio de cómo funciona eléctricamente el SEI durante el funcionamiento con batería.
El científico investigador de baterías Yaobin Xu inserta una muestra en un microscopio electrónico de transmisión para examinar el funcionamiento de una batería recargable. Crédito: Foto de Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Los hallazgos tienen implicaciones directas para el diseño de baterías de mayor duración ajustando las propiedades físicas y electroquímicas del electrolito líquido, que a menudo se denomina suministro de sangre de una batería en funcionamiento.
«Una tasa más alta de conductancia eléctrica induce un SEI más grueso con formas intrincadas de litio sólido, lo que lleva a un menor rendimiento de la batería», dijo Chongmin Wang, investigador del laboratorio PNNL y experto en tecnología de baterías que codirigió el estudio.
La batería de tamaño micro cambia las suposiciones sobre cómo funcionan las baterías recargables
Los investigadores se centran en esta capa SEI, que es más delgada que una hoja de papel de seda, debido a su enorme papel en el rendimiento de la batería. Este mosaico transparente permite selectivamente el paso de los iones de litio cargados durante la descarga y controla el movimiento de los electrones que alimentan la batería.
Cuando las baterías son nuevas, el SEI se forma en el primer ciclo de carga e idealmente permanece estable durante la vida útil esperada de la batería. Pero una mirada al interior de una batería recargable vieja a menudo revela una acumulación sustancial de litio sólido en los electrodos negativos. Los investigadores de baterías han asumido que esta acumulación provoca pérdidas de rendimiento. Parte de la razón de esta suposición ha sido la incapacidad de realizar mediciones para probar causa y efecto.
La microscopía electrónica de transmisión in situ permite a los investigadores observar directamente cómo evolucionan los materiales de una batería a escala atómica y nanométrica, lo que proporciona información sobre cómo funciona la batería recargable. Crédito: Foto de Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Wang, junto con el codirector del estudio Wu Xu, un científico de materiales del Grupo de Sistemas y Materiales de Baterías de PNNL, los coautores Yaobin Xu y Hao Jia, y sus colegas de PNNL, la Universidad Texas A&M y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley se propusieron resolver este problema. problema mediante el desarrollo de una nueva técnica para medir directamente la conducción eléctrica a través del SEI en un sistema experimental. El equipo combinó la microscopía electrónica de transmisión con la manipulación a nanoescala de agujas metálicas microfabricadas dentro del microscopio. Luego, los investigadores midieron las propiedades eléctricas de la capa SEI formada sobre cobre o litio metálico con cuatro tipos diferentes de electrolitos.
Las mediciones del grupo revelaron que a medida que aumenta el voltaje en la batería, la capa SEI en todos los casos pierde electrones, convirtiéndola en un semiconductor.
Los hallazgos sugieren que las moléculas que contienen carbono pierden electrones, lo que reduce la vida útil de la batería
Después de registrar este comportamiento similar al de un semiconductor, que nunca antes se había observado directamente, quisieron comprender qué componentes del SEI químicamente complejo son responsables de la fuga de electrones.
«Descubrimos que los componentes orgánicos de la capa SEI que contienen carbono son propensos a perder electrones», dijo Xu.
Los investigadores concluyeron que minimizar los componentes orgánicos del SEI permitiría que las baterías tuvieran una vida útil más larga.
«Incluso pequeñas variaciones en la velocidad de conducción a través del SEI pueden dar lugar a diferencias dramáticas en la eficiencia y estabilidad del ciclo de la batería», añadió Wang.
Referencia: “Medidas directas in situ de las propiedades eléctricas de la interfase de electrolito sólido en ánodos de metal de litio” 28 de septiembre de 2023, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-023-01361-1
Los investigadores del PNNL Peiyuan Gao, Xia Cao, Phung ML Le, Mark H. Engelhard, Shuang Li y Ji-Guang Zhang también contribuyeron a la investigación. La investigación fue patrocinada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables, la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE, en el marco del Programa de Investigación Avanzada de Materiales de Baterías y la Cooperación de Almacenamiento de Energía entre Estados Unidos y Alemania. El trabajo de análisis eléctrico y de imágenes se llevó a cabo en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación científica nacional para usuarios patrocinada por la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del DOE y ubicada en PNNL. Se completaron algunos trabajos de caracterización en Molecular Foundry, ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas.
