Nanotechnology Now - Comunicado de prensa: Lo que el calor puede decirnos sobre la química de las baterías: uso del efecto Peltier para estudiar células de iones de litio

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Los investigadores estudiaron cómo la corriente eléctrica creaba flujos de calor en una celda de batería de iones de litio. El calor fluyó en sentido opuesto a la corriente eléctrica, lo que provocó una temperatura más alta en el lado por donde la corriente entraba a la celda.

CRÉDITO
La Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign

Abstracto:
Las baterías generalmente se estudian a través de propiedades eléctricas como el voltaje y la corriente, pero una nueva investigación sugiere que observar cómo fluye el calor junto con la electricidad puede brindar información importante sobre la química de las baterías.

Lo que el calor puede decirnos sobre la química de las baterías: uso del efecto Peltier para estudiar celdas de iones de litio

Urbana, Illinois | Publicado el 8 de marzo de 2024

Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha demostrado cómo estudiar las propiedades químicas de las celdas de baterías de iones de litio explotando el efecto Peltier, en el que la corriente eléctrica hace que un sistema extraiga calor. Esta técnica, publicada en la revista Physical Chemistry Chemical Physics, les permitió medir experimentalmente la entropía del electrolito de iones de litio, una característica termodinámica que podría influir directamente en el diseño de la batería de iones de litio.

"Nuestro trabajo consiste en comprender la termodinámica fundamental de los iones de litio disueltos, información que esperamos oriente el desarrollo de mejores electrolitos para baterías", dijo David Cahill, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la U. of I. y líder del proyecto. “Medir el transporte acoplado de carga eléctrica y calor en el efecto Peltier nos permite deducir la entropía, cantidad que está estrechamente relacionada con la estructura química de los iones disueltos y cómo interactúan con otras partes de la batería”.

El efecto Peltier está bien estudiado en sistemas de estado sólido donde se utiliza en refrigeración y refrigeración. Sin embargo, sigue estando en gran medida inexplorado en sistemas iónicos como el electrolito de litio. La razón es que las diferencias de temperatura creadas por el calentamiento y el enfriamiento Peltier son pequeñas en comparación con otros efectos.

Para superar esta barrera, los investigadores utilizaron un sistema de medición capaz de resolver una cienmilésima de grado Celsius. Esto permitió a los investigadores medir el calor entre los dos extremos de la celda y usarlo para calcular la entropía del electrolito de iones de litio en la celda.

"Estamos midiendo una propiedad macroscópica, pero aún revela información importante sobre el comportamiento microscópico de los iones", dijo Rosy Huang, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Cahill y coautora principal del estudio. “Las mediciones del efecto Peltier y la entropía de la solución están estrechamente relacionadas con la estructura de solvatación. Anteriormente, los investigadores de baterías se basaban en mediciones de energía, pero la entropía proporcionaría un complemento importante a esa información que brinda una imagen más completa del sistema”.

Los investigadores exploraron cómo cambiaba el flujo de calor Peltier con la concentración de iones de litio, el tipo de disolvente, el material del electrodo y la temperatura. En todos los casos, observaron que el flujo de calor era opuesto a la corriente iónica en la solución, lo que implica que la entropía de la disolución de los iones de litio es menor que la entropía del litio sólido.

La capacidad de medir la entropía de las soluciones de electrolitos de iones de litio puede brindar información importante sobre la movilidad de los iones, que rige el ciclo de recarga de la batería y cómo la solución interactúa con los electrodos, un factor importante en la vida útil de la batería.

"Un aspecto subestimado del diseño de la batería es que el electrolito líquido no es químicamente estable cuando está en contacto con los electrodos", dijo Cahill. “Siempre se descompone y forma algo llamado interfase de electrolito sólido. Para hacer que una batería sea estable durante ciclos largos, es necesario comprender la termodinámica de esa interfase, que es lo que nuestro método ayuda a lograr”.

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Zhe Cheng es el segundo coautor principal del estudio. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon y el profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la U. of I. Paul Braun también contribuyeron a este trabajo.

El artículo de los investigadores, "Efecto iónico Peltier en electrolitos de iones de litio", está disponible en línea. DOI: 10.1039/d3cp05998g

El apoyo fue brindado por el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de Construcción del Ejército de EE. UU. y la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU., División de Ciencias e Ingeniería de Materiales.

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