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Los investigadores determinan la presión óptima para mejorar el rendimiento de las baterías de metal de litio

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19 de octubre de 2021

(Noticias de NanwerkUn equipo de científicos y químicos de materiales ha determinado la presión de pila adecuada a la que deben exponerse las baterías de metal de litio, o LMB, durante el funcionamiento de la batería para lograr un rendimiento óptimo.

El equipo, que incluye investigadores de la Universidad de California en San Diego, la Universidad Estatal de Michigan, el Laboratorio Nacional de Idaho y el Centro de Investigación y Desarrollo de General Motors, presenta sus hallazgos en energía de la naturaleza (Precipitación y disolución de litio según presión en baterías de litio-metal.). Ancho y secciones transversales de litio depositado Fila superior: vista superior y secciones transversales de litio precipitado a 70 kPa o kPa (menos de 1 atmósfera). Fila inferior: vista superior y secciones transversales de litio precipitado a 350 kPa, o 3,5 atmósferas. La alta presión hace que las partículas de litio se depositen en columnas finamente apiladas, lo que aumenta el volumen de litio depositado y evita la porosidad. (Foto: Universidad de California, San Diego) (Haga clic en la imagen para ampliar)

El uso de metal de litio para reemplazar el grafito en los ánodos de las baterías es el objetivo final de parte del campo de investigación y desarrollo de baterías; Las baterías de metal de iones de litio (LMB) tienen el potencial de duplicar la capacidad de la mejor tecnología de iones de litio actual. Por ejemplo, los vehículos eléctricos que funcionan con baterías de metal de litio tendrán el doble de autonomía que los vehículos que funcionan con baterías de iones de litio, para el mismo peso de la batería.

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A pesar de esta ventaja sobre las baterías de iones de litio, los LMB no son una opción viable para alimentar vehículos eléctricos o electrónicos, debido a su corta vida útil y a los posibles riesgos de seguridad, en particular los cortocircuitos causados ​​por el crecimiento de las dendritas de litio. Los investigadores y tecnólogos señalan que exponer los LMB a estrés mientras la batería está en funcionamiento aumenta el rendimiento y la estabilidad, lo que ayuda a resolver este desafío de por vida. Pero las razones detrás de esto no se comprenden completamente.

“No solo respondimos a esta pregunta científica, sino que también identificamos la presión óptima requerida”, dijo Shirley Minge, profesora del Departamento de Nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego y autora principal del artículo de investigación. “También hemos propuesto nuevos protocolos de prueba para maximizar el rendimiento de LMB”.

En el energía de la naturaleza En el estudio, los investigadores utilizaron varias técnicas de caracterización e imágenes para estudiar la morfología de LMB y medir el rendimiento cuando las baterías estaban expuestas a diversas tensiones.

Descubrieron que los niveles de alta presión obligan a las moléculas de litio a asentarse en columnas ordenadas, sin espacios porosos en el medio. La presión requerida para lograr este resultado es 350 kPa (aproximadamente 3,5 atm). Por el contrario, las baterías que están expuestas a bajos niveles de estrés son porosas y acumulan partículas de litio de manera desorganizada, dejando espacio para que crezcan las dendritas.

Los investigadores también demostraron que el proceso no afecta la estructura de la interfase de electrolitos sólidos (SEI) de los electrolitos de las baterías.

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Pero las instalaciones de fabricación de los LMB deben modernizarse para que se aplique esta nueva tecnología.

Otra forma de mejorar el rendimiento es no descargar completamente la batería durante sus ciclos. En cambio, los investigadores mantienen una reserva de litio donde puede ocurrir la renucleación.

Los hallazgos fueron validados por investigadores del Centro de Investigación y Desarrollo de General Motors en Michigan.

Por separado, los investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho están utilizando simulaciones de dinámica molecular para comprender el rango de presión de la chimenea utilizado en este trabajo, que es mucho más bajo de lo esperado según los modelos mecánicos macroscópicos. Los investigadores explicaron el origen mecanicista de este proceso único.

“Las instituciones de investigación deben continuar cooperando con los laboratorios e industrias nacionales para resolver problemas prácticos en el campo de las baterías”, dijo Chengcheng Fang, primer autor del trabajo de investigación, quien recibió un doctorado. en el grupo de investigación de Meng y ahora es miembro de la facultad en la Universidad Estatal de Michigan.

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