09 de junio de 2020 (Noticias de Nanowerk) Una propiedad inesperada de los cristales de antimonio a escala nanométrica, la formación espontánea de estructuras huecas, podría ayudar a dar a la próxima generación de baterías de iones de litio una mayor densidad de energía sin reducir la vida útil de la batería. Las estructuras huecas reversibles podrían permitir que las baterías de iones de litio retengan más energía y, por lo tanto, proporcionen más energía entre cargas. El flujo de iones de litio hacia adentro y hacia afuera de los ánodos de las baterías de aleación ha sido durante mucho tiempo un factor limitante en la cantidad de energía que las baterías pueden contener usando materiales convencionales. Demasiado flujo de iones hace que los materiales del ánodo se hinchen y luego se encojan durante los ciclos de carga y descarga, provocando una degradación mecánica que acorta la vida útil de la batería. Para abordar ese problema, los investigadores han desarrollado previamente nanopartículas huecas de “cáscara de yema” que se adaptan al cambio de volumen causado por el flujo de iones, pero fabricarlas ha sido complejo y costoso. Ahora, un equipo de investigación ha descubierto que las partículas mil veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano forman espontáneamente estructuras huecas durante el ciclo de carga-descarga sin cambiar de tamaño, lo que permite un mayor flujo de iones sin dañar los ánodos.
Una imagen de microscopio electrónico muestra las nanopartículas de antimonio utilizadas para estudiar la formación espontánea de electrodos huecos a nanoescala para su uso en baterías. (Imagen: Matthew Boebinger, Georgia Tech) La investigación se informó en la revista Naturaleza Nanotecnología ("Vaciado espontáneo y reversible de nanocristales de ánodo de aleación para un ciclo estable de la batería").
"La ingeniería intencional de nanomateriales huecos se ha realizado desde hace un tiempo, y es un enfoque prometedor para mejorar la vida útil y la estabilidad de las baterías con alta densidad de energía", dijo Matthew McDowell, profesor asistente en George W. Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Instituto de Tecnología de Georgia. “El problema ha sido que sintetizar directamente estas nanoestructuras huecas a las grandes escalas necesarias para aplicaciones comerciales es desafiante y costoso. Nuestro descubrimiento podría ofrecer un proceso más sencillo y simplificado que podría conducir a un rendimiento mejorado de una manera similar a las estructuras huecas diseñadas intencionalmente ". Los investigadores hicieron su descubrimiento utilizando un microscopio electrónico de alta resolución que les permitió visualizar directamente las reacciones de la batería a medida que ocurren a nanoescala. “Este es un tipo de experimento complicado, pero si tiene paciencia y hace bien los experimentos, puede aprender cosas realmente importantes sobre cómo se comportan los materiales en las baterías”, dijo McDowell.
El equipo, que incluyó a investigadores de ETH Zürich y Oak Ridge National Laboratory, también utilizó modelos para crear un marco teórico para comprender por qué las nanopartículas se ahuecan espontáneamente, en lugar de encogerse, durante la extracción de litio de la batería.
La capacidad de formar y llenar de forma reversible partículas huecas durante el ciclo de la batería se produce solo en nanocristales de antimonio recubiertos de óxido que tienen menos de aproximadamente 30 nanómetros de diámetro. El equipo de investigación descubrió que el comportamiento surge de una capa de óxido nativo resistente que permite la expansión inicial durante la litiación (flujo de iones hacia el ánodo) pero previene mecánicamente la contracción, ya que el antimonio forma huecos durante la eliminación de iones, un proceso conocido como delitio
El hallazgo fue un poco sorprendente porque el trabajo anterior en materiales relacionados se había realizado en partículas más grandes, que se expanden y encogen en lugar de formar estructuras huecas. “Cuando observamos por primera vez el característico comportamiento de los huecos, fue muy emocionante e inmediatamente supimos que esto podría tener importantes implicaciones para el rendimiento de la batería”, dijo McDowell.
El antimonio es relativamente caro y no se utiliza actualmente en electrodos de baterías comerciales. Pero McDowell cree que el vaciado espontáneo también puede ocurrir en materiales relacionados menos costosos como el estaño. Los próximos pasos incluirían probar otros materiales y trazar un camino hacia la ampliación comercial.
"Sería interesante probar otros materiales para ver si se transforman de acuerdo con un mecanismo de vaciado similar", dijo. “Esto podría ampliar la gama de materiales disponibles para su uso en baterías. Las pequeñas baterías de prueba que fabricamos mostraron un rendimiento de carga y descarga prometedor, por lo que nos gustaría evaluar los materiales en baterías más grandes ". Aunque pueden ser costosos, los nanocristales de antimonio autovaciados tienen otra propiedad interesante: también podrían usarse en baterías de iones de sodio y de iones de potasio, sistemas emergentes para los que se debe realizar mucha más investigación.
“Este trabajo avanza nuestra comprensión de cómo este tipo de material evoluciona dentro de las baterías”, dijo McDowell.
