Las baterías han recorrido un largo camino desde que Volta apiló por primera vez los discos de cobre y zinc hace 200 años. Si bien la tecnología ha continuado evolucionando de plomo-ácido a iones de litio, aún existen muchos desafíos, como lograr una mayor densidad y suprimir el crecimiento de dendrita. Los expertos están compitiendo para abordar la creciente necesidad global de baterías seguras y de bajo consumo energético.
La electrificación de vehículos pesados y aviones requiere baterías con más densidad energética. Un equipo de investigadores cree que es necesario un cambio de paradigma para lograr un impacto significativo en la tecnología de baterías para estas industrias. Este cambio aprovecharía el mecanismo de oxidación-reducción aniónica en cátodos ricos en litio. Hallazgos publicados en Naturaleza marca la primera vez que se observa una observación directa de esta reacción redox aniónica en un material de batería rico en litio.
Las instituciones colaboradoras incluyeron la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad Northeastern, la Universidad de Tecnología Lappeenranta-Lahti (LUT) en Finlandia e instituciones en Japón como la Universidad de Gunma, el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI), la Universidad Nacional de Yokohama, la Universidad de Kyoto y la Universidad Ritsumeikan.
Los óxidos ricos en litio son clases prometedoras de materiales de cátodos porque se ha demostrado que tienen una capacidad de almacenamiento mucho mayor. Pero hay un ‘problema Y’ que los materiales de la batería deben satisfacer: el material debe ser capaz de cargarse rápidamente, ser estable a temperaturas extremas y tener un ciclo confiable durante miles de ciclos. Los científicos necesitan una comprensión clara de cómo funcionan estos óxidos a nivel atómico, y cómo juegan un papel sus mecanismos electroquímicos subyacentes, para abordar esto.
Las baterías de iones de litio normales funcionan mediante redox catiónico, cuando un ión metálico cambia su estado de oxidación a medida que se inserta o retira el litio. Dentro de este marco de inserción, solo se puede almacenar un ion de litio por ion metálico. Los cátodos ricos en litio, sin embargo, pueden almacenar mucho más. Los investigadores atribuyen esto al mecanismo aniónico redox, en este caso, oxígeno redox. Este es el mecanismo al que se le atribuye la alta capacidad de los materiales, casi duplicando el almacenamiento de energía en comparación con los cátodos convencionales. Aunque este mecanismo redox se ha convertido en el principal competidor entre las tecnologías de baterías, significa un giro en la investigación de la química de materiales.
El equipo se propuso proporcionar evidencia concluyente del mecanismo redox que utiliza la dispersión de Compton, el fenómeno por el cual un fotón se desvía de una trayectoria recta después de interactuar con una partícula (generalmente un electrón). Los investigadores realizaron sofisticados estudios teóricos y experimentales en SPring-8, la instalación de radiación de sincrotrón de tercera generación más grande del mundo operada por JASRI.
La radiación de sincrotrón consiste en haces estrechos y potentes de radiación electromagnética que se producen cuando los haces de electrones se aceleran a (casi) la velocidad de la luz y se ven obligados a viajar en una trayectoria curva por un campo magnético. La dispersión de Compton se vuelve visible.
Los investigadores observaron cómo se pueden obtener imágenes y visualizar el orbital electrónico que se encuentra en el corazón de la actividad redox aniónica reversible y estable, y determinar su carácter y simetría. Esta primicia científica puede cambiar las reglas del juego para la tecnología de baterías del futuro.
Si bien la investigación anterior ha propuesto explicaciones alternativas del mecanismo redox aniónico, no pudo proporcionar una imagen clara de los orbitales electrónicos de la mecánica cuántica asociados con las reacciones redox porque esto no se puede medir mediante experimentos estándar.
El equipo de investigación tuvo un “¡Ajá!” momento en el que vieron por primera vez el acuerdo en carácter redox entre la teoría y los resultados experimentales. “Nos dimos cuenta de que nuestro análisis podía visualizar los estados de oxígeno que son responsables del mecanismo redox, que es algo fundamentalmente importante para la investigación de baterías”, explicó Hasnain Hafiz, autor principal del estudio que llevó a cabo este trabajo durante su tiempo como investigador postdoctoral. asociado en Carnegie Mellon.
“Tenemos evidencia concluyente en apoyo del mecanismo redox aniónico en un material de batería rico en litio”, dijo Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingeniería mecánica en Carnegie Mellon. “Nuestro estudio proporciona una imagen clara del funcionamiento de una batería rica en litio a escala atómica y sugiere vías para diseñar cátodos de próxima generación para permitir la aviación eléctrica. El diseño de cátodos de alta densidad de energía representa la próxima frontera para las baterías. “
Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por Facultad de Ingeniería, Universidad Carnegie Mellon. Original escrito por Lisa Kulick. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.
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