Un estudio de la Universidad de Michigan encuentra grietas en Li

Según una investigación realizada en la Universidad de Michigan, en lugar de ser únicamente perjudiciales, las grietas en los cátodos de las baterías de iones de litio reducen el tiempo de carga de la batería. Esto va en contra de la opinión de muchos fabricantes de vehículos eléctricos, que intentan minimizar el agrietamiento porque disminuye la longevidad de la batería. Un artículo de acceso abierto sobre el trabajo se publica en la revista RSC Energy & Environmental Science.

Las partículas secundarias policristalinas de Li (Ni, Mn, Co) O2 (NMC) son los materiales catódicos más comunes para las baterías de iones de litio. Durante la (des)carga electroquímica, se cree que el litio se difunde a través de la masa y entra (sale) de la partícula secundaria en la superficie. Según este modelo, las partículas más pequeñas circularían más rápido debido a longitudes de difusión más cortas y relaciones superficie-volumen más grandes. En este trabajo, evaluamos esta suposición generalizada mediante el desarrollo de una nueva plataforma electroquímica de una sola partícula de alto rendimiento utilizando la matriz de electrodos múltiples de la neurociencia. Al medir los tiempos de reacción y difusión de 21 partículas individuales en electrolitos líquidos, no encontramos correlación entre el tamaño de las partículas y los tiempos de reacción o difusión, lo que contrasta marcadamente con el modelo de transporte de litio predominante.

Proponemos que las reacciones electroquímicas ocurren dentro de las partículas secundarias, probablemente debido a la penetración del electrolito en las grietas. Nuestra plataforma electroquímica de una sola partícula de alto rendimiento abre aún más nuevas fronteras para una cuantificación estadística sólida de partículas individuales en sistemas electroquímicos.

Mecanismo propuesto para tiempos de reacción y difusión independientes del tamaño.(a) El modelo estándar para el transporte de litio a nivel de partículas supone que el litio ingresa a la superficie de las partículas secundarias y se difunde hacia la masa. Como resultado, la longitud de difusión efectiva aumenta con el diámetro de la partícula secundaria.(b) Min y col. proponemos que la escala de longitud relevante (rEfectiva) es mucho más corta que el radio de la partícula secundaria y es independiente del diámetro de la partícula secundaria. Una posibilidad es que el electrolito penetre en la partícula debido al craqueo intergranular. Min y col.

El equipo cree que los hallazgos se aplican a más de la mitad de todas las baterías de vehículos eléctricos, en las que el cátodo está compuesto por billones de partículas microscópicas hechas de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto u óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio.

En teoría, la velocidad a la que se carga el cátodo se reduce a la relación superficie-volumen de las partículas. Las partículas más pequeñas deberían cargarse más rápido que las partículas más grandes porque tienen una mayor superficie en relación con el volumen, por lo que los iones de litio tienen distancias más cortas para difundirse a través de ellas.

Sin embargo, los métodos convencionales no podían medir directamente las propiedades de carga de las partículas individuales del cátodo, sólo el promedio de todas las partículas que componen el cátodo de la batería. Esa limitación significa que la relación ampliamente aceptada entre la velocidad de carga y el tamaño de las partículas del cátodo era simplemente una suposición.

Medir la velocidad de carga de las partículas catódicas individuales fue clave para descubrir las ventajas del cracking de cátodos. Los investigadores lograron esto insertando las partículas en una matriz de múltiples electrodos, un dispositivo que los neurocientíficos suelen utilizar para estudiar cómo las células cerebrales individuales transmiten señales eléctricas.

Diseño y fabricación de matrices de electrodos múltiples.(a) Ilustración esquemática de una matriz de electrodos múltiples de alto rendimiento. Los microelectrodos de Au están modelados sobre un sustrato de silicio con óxido térmico de 500 nm. Las almohadillas de contacto de Au, de aproximadamente 1 mm cada una, están estampadas en el límite de la matriz y conectadas eléctricamente a los microelectrodos en el centro.(b) Una imagen óptica de los electrodos. El chip contiene 2 electrodos contadores/de referencia grandes y 62 microelectrodos de trabajo más pequeños.(C) Imagen ampliada de cuatro microelectrodos en funcionamiento con partículas de NMC ensambladas. Cada microelectrodo de Au mide 20 × 20 µm; Los alambres de Au se pasivan con 50 nm de nitruro de silicio.(d)Imagen SEM de una partícula en un microelectrodo en funcionamiento.(mi) SEM de sección transversal de una partícula obtenida mediante molienda con haz de iones enfocado en plasma. Las barras de escala en cada imagen equivalen a 300 µm (b), 30 µm (c), 3 µm (d), 3 µm (e) respectivamente. Min y col.

Es importante tener en cuenta los beneficios de los materiales agrietados al diseñar baterías de larga duración con partículas monocristalinas que no se agrietan. Para cargarse rápidamente, es posible que estas partículas deban ser más pequeñas que las partículas catódicas de craqueo actuales. La alternativa es fabricar cátodos monocristalinos con diferentes materiales que puedan mover el litio más rápido, pero esos materiales podrían estar limitados por el suministro de metales necesarios o tener densidades de energía más bajas, dijo Yiyang Li, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y autor correspondiente de dijo el estudio.

El dispositivo fue construido en la Instalación de Nanofabricación de Lurie y estudiado en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan.

La investigación fue financiada por LG Energy Solution, Battery Innovation Contest y la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan.

Recursos

Jinhong Min, Lindsay M. Gubow, Riley J. Hargrave, Jason B. Siegel y Yiyang Li (2023) “Medidas directas de tiempos de reacción y difusión de litio independientes del tamaño en partículas de baterías policristalinas individuales” Energy Environ. Ciencia. doi: 10.1039/D3EE00953J

Publicado el 02 de agosto de 2023 en Baterías, Antecedentes del mercado | Enlace permanente | Comentarios (1)