El nuevo material de ánodo podría conducir a un rápido y más seguro

Científicos de UC San Diego han descubierto un nuevo material de ánodo que permite que las baterías de iones de litio se recarguen de manera segura en minutos durante miles de ciclos. Conocido como sal de roca desordenada, el nuevo ánodo está hecho de átomos de litio, vanadio y oxígeno abundantes en la tierra dispuestos de manera similar a la sal común de cocina, pero al azar. Es prometedor para aplicaciones comerciales donde se desea una alta densidad de energía y alta potencia, como automóviles eléctricos, aspiradoras o taladros.

El estudio, dirigido conjuntamente por nanoingenieros en los laboratorios de los profesores Ping Liu y Shyue Ping Ong, se publicó en Nature el 2 de septiembre.

Actualmente, se utilizan dos materiales como ánodos en la mayoría de las baterías de iones de litio disponibles comercialmente que alimentan artículos como teléfonos celulares, computadoras portátiles y vehículos eléctricos. El más común, un ánodo de grafito, es extremadamente denso en energía: una batería de iones de litio con un ánodo de grafito puede alimentar un automóvil durante cientos de millas sin necesidad de recargarla. Sin embargo, recargar un ánodo de grafito demasiado rápido puede provocar incendios y explosiones debido a un proceso llamado recubrimiento de metal de litio. Una alternativa más segura, el ánodo de titanato de litio, se puede recargar rápidamente pero da como resultado una disminución significativa en la densidad de energía, lo que significa que la batería debe recargarse con más frecuencia.

Este nuevo ánodo de sal de roca desordenado, Li3V2O5, se encuentra en un punto medio importante: es más seguro de usar que el grafito, pero ofrece una batería con al menos un 71% más de energía que el titanato de litio.

"La capacidad y la energía serán un poco más bajas que las del grafito, pero es más rápido, más seguro y tiene una vida más larga. Tiene un voltaje mucho más bajo y, por lo tanto, una densidad de energía mucho mejor que los ánodos de titanato de litio de carga rápida comercializados actualmente", dijo Haodong. Liu, becario postdoctoral en el laboratorio del profesor Ping Liu y primer autor del artículo. "Entonces, con este material podemos fabricar baterías seguras de carga rápida y larga duración, sin sacrificar demasiada densidad de energía".

La estructura cristalina de la sal de roca desordenada -Li3V2O5. Las bolas rojas representan O, el tetraedro azul representa Li en sitios tetraédricos y el octaedro verde representa los sitios octaédricos compartidos Li/V

Los investigadores formaron una empresa llamada Tyfast para comercializar este descubrimiento. Los primeros mercados de la startup serán los autobuses eléctricos y las herramientas eléctricas, ya que las características de la sal de roca desordenada Li3V2O5 la hacen ideal para su uso en dispositivos donde la recarga se puede programar fácilmente.

Los investigadores del laboratorio del profesor Liu planean continuar desarrollando este material de ánodo de óxido de litio y vanadio, al mismo tiempo que optimizan otros componentes de la batería para desarrollar una celda completa comercialmente viable.

"Durante mucho tiempo, la comunidad de baterías ha estado buscando un material de ánodo que funcione a un potencial justo por encima del grafito para permitir una carga segura y rápida de baterías de iones de litio. Este material llena un importante vacío de conocimiento y aplicación", dijo Ping Liu. "Estamos entusiasmados con su potencial comercial, ya que el material puede ser una solución inmediata para el proceso actual de fabricación de baterías de iones de litio".

¿Por qué probar este material?

Los investigadores experimentaron por primera vez con sal de roca desordenada como cátodo de batería hace seis años. Desde entonces, se ha trabajado mucho para convertir el material en un cátodo eficiente. Haodong Liu dijo que el equipo de UC San Diego decidió probar el material como un ánodo basado en una corazonada.

"Cuando la gente lo usa como cátodo, tiene que descargar el material a 1,5 voltios", dijo. "Pero cuando observamos la estructura del material del cátodo a 1,5 voltios, pensamos que este material tiene una estructura especial que puede albergar más iones de litio, lo que significa que puede ir a un voltaje aún más bajo para funcionar como un ánodo".

En el estudio, el equipo descubrió que su ánodo de sal de roca desordenada podía ciclar de forma reversible dos iones de litio a un voltaje promedio de 0,6 V, más alto que los 0,1 V del grafito, eliminando el recubrimiento de metal de litio a una tasa de carga alta, lo que hace que la batería sea más segura, pero inferior a los 1,5 V a los que el titanato de litio se intercala con el litio y, por lo tanto, almacena mucha más energía.

Los investigadores demostraron que el ánodo Li3V2O5 puede funcionar durante más de 6000 ciclos con una disminución de capacidad insignificante, y puede cargar y descargar energía rápidamente, entregando más del 40 por ciento de su capacidad en 20 segundos. El bajo voltaje y la alta tasa de transferencia de energía se deben a un mecanismo de intercalación de litio redistributivo único con barreras de baja energía.

El académico postdoctoral Zhuoying Zhu, del Laboratorio Virtual de Materiales del profesor Shyue Ping Ong, realizó cálculos teóricos para comprender por qué el ánodo de sal de roca desordenada Li3V2O5 funciona tan bien como lo hace.

"Descubrimos que Li3V2O5 funciona a través de un mecanismo de carga que es diferente de otros materiales de electrodos. Los iones de litio se reorganizan de una manera que da como resultado una difusión de litio tanto de bajo voltaje como rápida", dijo Zhuoying Zhu.

"Creemos que hay otros materiales de electrodos esperando ser descubiertos que operan con un mecanismo similar", agregó Ong.

Los autores correspondientes y primeros en una llamada de Zoom. Desde arriba a la izquierda en el sentido de las agujas del reloj: el profesor Ping Liu, el profesor Shyue Ping Ong, Haodong Liu, Jun Lu, el profesor Huolin Xin y Zhuoying Zhu.

Los estudios experimentales en UC San Diego fueron financiados por premios del fondo de puesta en marcha de UC San Diego a Ping Liu, mientras que los estudios teóricos fueron financiados por el Departamento de Energía y el programa de Infraestructura de Datos de Espectroscopia Local de Bloques de Construcción de Infraestructura de Datos (DIBBS) de la Fundación Nacional de Ciencias. , y utilizó recursos en el Centro de Supercomputación de San Diego proporcionados bajo el Entorno de Descubrimiento de Ingeniería y Ciencia Extrema (XSEDE).

El equipo también colaboró ​​con investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que utilizaron la difracción de neutrones para determinar la estructura atómica del material Li3V2O5. Investigadores de UC Irvine y Brookhaven National Lab dirigidos por el profesor Huolin Xin realizaron estudios microscópicos de alta resolución para resolver los cambios estructurales después de la inserción de litio. Finalmente, los equipos del Laboratorio Nacional Argonne dirigidos por Jun Lu y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley realizaron estudios de difracción y absorción de rayos X para revelar el cambio estructural del cristal y los mecanismos de compensación de carga del material durante la (des) litiación. Este estudio utilizó instalaciones de laboratorio nacionales que incluyen la línea de luz VULCAN (Fuente de neutrones por espalación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge), la línea de luz 17-BM (Fuente de fotones avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne), la línea de luz 5.3.1 (Fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley).

Título del artículo: "Un ánodo de sal de roca desordenado para baterías de iones de litio de carga rápida". y Ping Liu, UC San Diego, Xin He, Jun Feng, Robert Kostecki, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Yan Chen, Ke An, Laboratorio Nacional Oak Ridge, Rui Zhang, Huolin L. Xin, Universidad de California, Laboratorio Nacional Brookhaven; Tongchao Liu, Matthew Li, Khalil Amine, Tianpin Wu, Jun Lu, Laboratorio Nacional Argonne; Lucy Gao, Escuela Secundaria Del Norte; Helen Sung-yun Cho, Academia Canyon Crest.

Manténgase al día con lo último de UC San Diego. Suscríbete al boletín hoy.

Se ha suscrito con éxito al boletín informativo de UC San Diego Today.