Investigadores innovadores de baterías han descifrado el código para crear imágenes 3D en tiempo real de la prometedora pero temperamental batería de metal de litio a medida que avanza. Un equipo de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, logró observar cómo se comporta el metal de litio en la celda cuando se carga y descarga.

Los investigadores de baterías han querido durante mucho tiempo estudiar el metal de litio en una batería de metal de litio en funcionamiento. Ahora, los investigadores de Chalmers han desarrollado un método para seguir cómo se comporta el litio en la celda de la batería durante el ciclismo. Con una celda especialmente diseñada y usando microscopía tomográfica de rayos X, los investigadores pueden observar el funcionamiento interno de la batería en tiempo real en 3D. El nuevo método puede contribuir a que las baterías tengan una mayor capacidad y una mayor seguridad en nuestros futuros automóviles y dispositivos.. Crédito de la imagen: Universidad Tecnológica de Chalmers

El nuevo método puede contribuir a que las baterías tengan una mayor capacidad y una mayor seguridad en nuestros futuros automóviles y dispositivos.

“Hemos abierto una nueva ventana para comprender, y optimizar a largo plazo, las baterías de metal de litio del futuro. Cuando podemos estudiar exactamente lo que le sucede al litio en una celda durante el ciclo, obtenemos un conocimiento importante de lo que afecta su funcionamiento interno”, dice Aleksandar Matic, profesor del Departamento de Física de Chalmers y director del estudio científico que se publicó recientemente. en Nature Communications.

Hay grandes esperanzas de que los nuevos conceptos de batería, como las baterías de metal de litio, puedan reemplazar las baterías de iones de litio actuales. El objetivo es desarrollar baterías más seguras y con mayor densidad de energía que nos lleven más lejos a un menor costo, tanto desde el punto de vista financiero como ambiental. Las baterías de estado sólido, las baterías de litio-azufre y las baterías de litio-oxígeno se encuentran entre las que se presentan como alternativas prometedoras. Todos estos conceptos se basan en la idea de que el ánodo de la batería consiste en un metal de litio en lugar del grafito que se encuentra en las baterías actuales. Sin grafito, la celda de la batería será más liviana, y con metal de litio como ánodo, también será posible utilizar materiales de cátodo de alta capacidad. Esto hace posible alcanzar de tres a cinco veces la densidad de energía.

El litio forma microestructuras no deseadas

Sin embargo, las baterías de metal de litio tienen un problema crucial: cuando la batería está cargada o descargada, el litio no siempre se deposita tan plano y uniforme como debería. A menudo, forma microestructuras musgosas o dendritas, estructuras similares a agujas largas, y partes del litio depositado pueden aislarse y quedar inactivas. Las dendritas también corren el riesgo de alcanzar el otro electrodo de la batería y provocar un cortocircuito. Por lo tanto, es crucial comprender cuándo, cómo y por qué se forman estas estructuras.

“Para poder usar esta tecnología en la próxima generación de baterías, necesitamos ver cómo una celda se ve afectada por factores como la densidad de corriente, la elección del electrolito y la cantidad de ciclos. Ahora tenemos una herramienta para hacerlo”, dice el investigador de Chalmers Matthew Sadd, autor principal de este nuevo estudio junto con su colega Shizhao Xiong.

Espera emocionada por el primer vistazo

El experimento para observar la formación de microestructuras de litio en una celda de trabajo se llevó a cabo en Swiss Light Source, en las afueras de Zúrich, Suiza. Con una anticipación sin aliento, los investigadores prepararon una celda de batería especialmente diseñada para estudiar cuándo se deposita el litio, en tiempo real y en 3D utilizando microscopía tomográfica de rayos X. Aunque muchos investigadores han querido estudiar el metal de litio en una celda de trabajo, nadie había podido hacerlo hasta donde sabía el equipo. Si tuvieran éxito, sería un gran paso adelante, en comparación con el análisis de imágenes después de que se haya ciclado una celda.

“Fue mágico cuando vimos con nuestros propios ojos que funcionó en el primer intento”, dijo Matic. “Cuando observamos que el litio creaba grandes estructuras, como agujas enormes, era casi como estar en un proyecto de aterrizaje lunar. Llevamos mucho tiempo queriendo observar el funcionamiento interno de las baterías en tiempo real. Y ahora podemos”.

Pieza clave del rompecabezas para uso a gran escala

Ahora, el equipo de investigación tiene como objetivo probar la técnica en otros conceptos de batería, con la esperanza de que la tecnología de imagen necesaria esté disponible más cerca de casa, por ejemplo, en el laboratorio sueco MAX IV, una instalación de investigación nacional para experimentos avanzados de rayos X.

“Esperamos desarrollar este método para tomar medidas más rápidas con una resolución más alta para ver microestructuras más detalladas formadas al principio del proceso de deposición”, dice Matic. “Esta es una pieza clave del rompecabezas para poder usar baterías de metal de litio a gran escala y hacerlas seguras. Muchos equipos de investigación y empresas están considerando el concepto de metal de litio para sus futuros prototipos”.

Más sobre la investigación.

Más sobre las baterías de hoy y la próxima generación de baterías

• En la búsqueda de la próxima generación de baterías de alta densidad energética y conservación de recursos, las baterías de metal de litio son uno de los conceptos prometedores. La esperanza es que el nuevo tipo de batería reemplace a las baterías de iones de litio actuales, particularmente en varios tipos de vehículos eléctricos. El objetivo es desarrollar baterías seguras y con gran densidad de energía que nos lleven más lejos a un menor costo, tanto desde el punto de vista financiero como ambiental.
• En las baterías de iones de litio, el litio se almacena en grafito, que en sí mismo no contribuye a la actividad. En las baterías de metal de litio, el grafito se reemplaza con metal de litio, lo que hace que la batería sea más densa en energía. Con metal de litio como ánodo, también es posible utilizar materiales de cátodo de alta capacidad. Esto puede resultar en baterías con una densidad de energía tres a cinco veces mayor que las baterías actuales.
• Las baterías de estado sólido, las baterías de litio-azufre y las baterías de litio-oxígeno son tres ejemplos de conceptos prometedores de baterías de próxima generación. Todos estos requieren metal de litio en el lado del ánodo para igualar la capacidad del cátodo y maximizar la densidad de energía de la celda.
• Hasta ahora, los investigadores suponen que el gran avance para la próxima generación de baterías está a unos diez años de distancia.
• En la Universidad Tecnológica de Chalmers, se están realizando investigaciones en varios proyectos relacionados con baterías, y los investigadores participan en colaboraciones nacionales e internacionales, como el centro de excelencia sueco BASE y el importante proyecto europeo 2030+ BIGMAP.

By Universidad Tecnológica de Chalmers vía Newswise

Imagen destacada cortesía de MIT.

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