Rediseño de los ánodos de la batería de iones de litio para un mejor rendimiento.
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Newswise – Los científicos del Laboratorio Nacional de Argonne han progresado hacia una batería de iones de litio de mayor capacidad para satisfacer la creciente demanda de los consumidores.
Con el creciente número de vehículos eléctricos en la carretera y una dependencia cada vez mayor de la electrónica de consumo, la demanda nunca ha sido mayor para el desarrollo de baterías de iones de litio (LIB) que puedan mantener una mayor capacidad de energía o la cantidad de carga almacenada dentro de la batería.
Una forma de aumentar la capacidad energética general de los LIB es aumentar la capacidad energética del ánodo o electrodo negativo. Durante las últimas décadas, se han hecho LIB de última generación con ánodos de grafito. La capacidad energética del grafito es estable, lo que significa que la capacidad no se desvanece y el material no se agrieta incluso después de más de 1000 ciclos completos de carga-descarga. Sin embargo, el grafito tiene una baja capacidad energética teórica, que no puede satisfacer las crecientes demandas energéticas de la sociedad actual.
“Argonne tiene habilidades únicas disponibles en el APS y CNM. Con la fuente de luz del anillo de almacenamiento, podemos probar la transformación de fase durante la litiación y la delitiación, lo que nos permite ver la reversibilidad de la reacción “. – Gui-Liang Xu, químico de Argonne
En un nuevo estudio, un equipo dirigido por investigadores del Departamento de Energía de EE. UU. (GAMA) El Laboratorio Nacional de Argonne ha demostrado la mayor capacidad de un posible material de ánodo nuevo de mayor capacidad. Este material compuesto se había desarrollado originalmente para baterías de iones de sodio, que se utilizan con menos frecuencia comercialmente que las baterías de iones de litio. Este nuevo estudio buscó aplicar el material a las baterías de iones de litio.
Recientemente, dos materiales han estado a la vanguardia de la investigación para los ánodos de batería de próxima generación: silicio y fósforo. Tanto el silicio como el fósforo tienen una capacidad energética teórica al menos 10 veces mayor que el grafito, lo que significa que podrían superar los requisitos de capacidad energética para las LIB. Según el científico principal de materiales y miembro distinguido de Argonne, Khalil Amine, el investigador principal del estudio de Argonne, el silicio tiene dos problemas principales. El primer problema involucra la expansión de alto volumen cuando el silicio se litia durante la carga, lo que probablemente causaría que el material del ánodo se rompa. El agrietamiento conduciría a una pérdida de capacidad energética, explicó.
El segundo problema involucra un término llamado eficiencia coulombic inicial (HIELO) Cuando una batería pasa por un ciclo completo de carga y descarga, la salida de carga de la batería en teoría debería coincidir con la entrada de carga. Sin embargo, parte de la energía en la salida de carga se pierde cuando el litio reacciona con el material del ánodo. Desarrollar una práctica LIB, la relación de la salida de carga en comparación con la entrada de carga en el primer ciclo de carga-descarga debe ser superior 90% Esta relación es la HIELO. Con silicio, el HIELO es menos que 80%, que Amine explicó lo hace inviable para uso práctico.
En su investigación, Amine, el químico de Argonne Gui-Liang Xu, y sus colegas exploraron dos tipos potenciales de fósforo: fósforo negro y rojo.“El fósforo tiene una capacidad energética muy alta ”, dijo Xu.“Cuando exploramos el material, descubrimos que nuestro material anódico tiene un nivel muy alto HIELO de mas de 90% “.
Un HIELO de mas de 90El% demuestra que se producen muy pocas reacciones secundarias entre el material del ánodo y el electrolito, por lo que no se pierde mucho litio durante la carga y descarga iniciales.
El equipo creó su propio compuesto anódico compuesto principalmente de fósforo negro, una forma de fósforo altamente conductor con una alta capacidad teórica, y compuestos de carbono conductores.
Para crear el compuesto, los investigadores molieron el material de fósforo a granel y el carbono conductor en partículas de tamaño micrométrico, lo que aumenta la densidad del ánodo.
Al medir los ciclos de vida, o el número total de veces que se puede cargar y descargar una batería, Amine y sus colegas recurrieron a la Fuente avanzada de fotones de Argonne (APS) y Centro de Materiales a Nanoescala (CNM), ambos GAMA Instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias. Empleo de difracción de rayos X de fuente de luz de anillo de almacenamiento in situ en el APS y microscopía electrónica de barrido in situ en el CNM, el equipo observó la transformación de fase y volumen del ánodo durante la carga y descarga repetidas.
“Argonne tiene habilidades únicas disponibles en el APS y CNM“, Dijo Xu.“Con la fuente de luz del anillo de almacenamiento, podemos probar la transformación de fase durante la litiación y la delitiación, lo que nos permite ver la reversibilidad de la reacción “.
Después de mostrar la estabilidad del compuesto de fósforo negro, el equipo investigó un compuesto con fósforo rojo en lugar de fósforo negro. El fósforo negro, aunque significativamente más conductor que el fósforo rojo, es demasiado costoso para su uso práctico en el mercado. Con el compuesto de fósforo rojo, que es una opción económicamente viable, la batería mostró una estabilidad similar y alta HIELO, con una capacidad práctica muy alta.
El equipo actualmente está trabajando en un material compuesto hecho principalmente de fósforo rojo, y el material muestra resultados prometedores, dijo Xu.“Estamos tratando de iniciar una colaboración con socios de la industria para que podamos ampliar este material y comercializarlo en el futuro ”.
El trabajo de investigación sobre el estudio,“Un práctico material de ánodo a base de fósforo para baterías de iones de litio de alta energía “, apareció en línea en abril 26, 2020, en Nano Energy. El proyecto de investigación fue financiado por el Programa de Investigación de Materiales de Batería en GAMAOficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, Oficina de Tecnologías de Vehículos.
Sobre el Centro de Argonne para Materiales a Nanoescala
El Centro de Materiales a Nanoescala es uno de los cinco GAMA Centros de investigación científica a nanoescala, instalaciones de primer nivel para usuarios nacionales para la investigación interdisciplinaria en la nanoescala con el apoyo de GAMA Oficina de Ciencias Juntos, los NSRC comprenden un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de vanguardia para fabricar, procesar, caracterizar y modelar materiales a nanoescala, y constituyen la mayor inversión en infraestructura de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. Los NSRC están ubicados en GAMAArgonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos National Laboratories. Para más información sobre el GAMA NSRC, visite https: // ciencia .osti .gov / U s e r – F a c i l i t i e s / U s e r – F a c i l i t i e s – a t – a – Gncence.
Acerca de la fuente avanzada de fotones
Fuente avanzada de fotones de la Oficina de Ciencia de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.APS) en Argonne National Laboratory es una de las instalaciones de fuentes de luz de rayos X más productivas del mundo. los APS proporciona rayos de rayos X de alto brillo a una comunidad diversa de investigadores en ciencia de materiales, química, física de materia condensada, ciencias de la vida y del medio ambiente, e investigación aplicada. Estos rayos X son ideales para la exploración de materiales y estructuras biológicas; distribución elemental; estados químicos, magnéticos, electrónicos; y una amplia gama de sistemas de ingeniería tecnológicamente importantes, desde baterías hasta inyectores de combustible, todos los cuales son la base del bienestar económico, tecnológico y físico de nuestra nación. Cada año, más de 5 5,000 los investigadores usan el APS para producir más de 2,000 publicaciones que detallan descubrimientos impactantes y resuelven estructuras de proteínas biológicas más vitales que los usuarios de cualquier otra instalación de investigación de fuentes de luz de rayos X. APS Los científicos e ingenieros innovan la tecnología que está en el corazón del avance del acelerador y las operaciones de fuente de luz. Esto incluye los dispositivos de inserción que producen rayos X de brillo extremo apreciados por los investigadores, lentes que enfocan los rayos X a unos pocos nanómetros, instrumentación que maximiza la forma en que los rayos X interactúan con las muestras que se están estudiando, y software que reúne y gestiona la cantidad masiva de datos resultante de la investigación de descubrimiento en el APS.
Esta investigación utilizó recursos de Advanced Photon Source, un EE. UU. GAMA La instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias funciona para GAMA Oficina de Ciencia por el Laboratorio Nacional Argonne bajo el Contrato No. DE-AC02–06CH11357.
Laboratorio Nacional de Argonne busca soluciones a problemas nacionales apremiantes en ciencia y tecnología. Argonne, el primer laboratorio nacional del país, realiza investigaciones científicas básicas y aplicadas de vanguardia en prácticamente todas las disciplinas científicas. Los investigadores de Argonne trabajan en estrecha colaboración con investigadores de cientos de empresas, universidades y agencias federales, estatales y municipales para ayudarlos a resolver sus problemas específicos, avanzar en el liderazgo científico de Estados Unidos y preparar a la nación para un futuro mejor. Con empleados de más de 60 60 naciones, Argonne es administrado por UChicago Argonne, LLC para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
La Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. es el mayor defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite https: // ener gy .gov / s c ience.
