Nanopartícula De Aluminio De “yema Y Cáscara” Aumenta La Capacidad Y La Potencia De Las Baterías De Iones De Litio

Las yemas y las cáscaras mejoran las baterías de iones de litio

La esfera gris en el centro representa una nanopartícula de aluminio, que forma la “yema”. La capa exterior azul claro representa una cáscara sólida de dióxido de titanio, y el espacio entre la yema y la cáscara permite que la yema se expanda y contraiga sin dañar la cáscara. En el fondo hay una imagen real de microscopio electrónico de barrido de una colección de estas nanopartículas de cáscara de yema. Imagen: Christine Daniloff / MIT

Nueva investigación de MIT y la Universidad de Tsinghua en China revela que una nanopartícula de aluminio de “yema y cáscara” podría aumentar la capacidad y la potencia de las baterías de iones de litio.

Un gran problema al que se enfrentan los electrodos en las baterías recargables, a medida que pasan por ciclos repetidos de carga y descarga, es que deben expandirse y contraerse durante cada ciclo, a veces duplicando su volumen y luego contrayéndose. Esto puede dar lugar a un desprendimiento y una reforma repetidos de su capa de “piel” que consume litio de forma irreversible, degradando el rendimiento de la batería con el tiempo.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Tsinghua en China ha encontrado una forma novedosa de solucionar ese problema: crear un electrodo hecho de nanopartículas con una capa sólida y una “yema” en el interior que puede cambiar de tamaño una y otra vez sin afectar la capa. La innovación podría mejorar drásticamente el ciclo de vida, dice el equipo, y proporcionar un impulso dramático en la capacidad y potencia de la batería.

Los nuevos hallazgos, que utilizan aluminio como material clave para el electrodo negativo o ánodo de la batería de iones de litio, se informan en la revista Nature Communications, en un artículo del profesor del MIT Ju Li y otros seis. El uso de nanopartículas con una yema de aluminio y una capa de dióxido de titanio ha demostrado ser “el campeón de alto índice entre los ánodos de alta capacidad”, informa el equipo.

La mayoría de las baterías de iones de litio actuales, la forma más utilizada de baterías recargables, utilizan ánodos hechos de grafito, una forma de carbono. El grafito tiene una capacidad de almacenamiento de carga de 0,35 amperios-hora por gramo (Ah / g); Durante muchos años, los investigadores han explorado otras opciones que proporcionarían un mayor almacenamiento de energía para un peso determinado. El metal de litio, por ejemplo, puede almacenar alrededor de 10 veces más energía por gramo, pero es extremadamente peligroso, capaz de cortocircuitar o incluso incendiarse. El silicio y el estaño tienen una capacidad muy alta, pero la capacidad cae a altas tasas de carga y descarga.

El aluminio es una opción de bajo costo con una capacidad teórica de 2 Ah / g. Pero el aluminio y otros materiales de alta capacidad, dice Li, “se expanden mucho cuando alcanzan una alta capacidad, cuando absorben litio. Y luego se encogen, cuando liberan litio “.

Esta expansión y contracción de las partículas de aluminio genera una gran tensión mecánica, que puede provocar la desconexión de los contactos eléctricos. Además, el electrolito líquido en contacto con el aluminio siempre se descompondrá a los voltajes de carga / descarga requeridos, formando una capa llamada capa de interfase de electrolitos sólidos (SEI), que estaría bien si no fuera por la expansión y contracción repetidas de gran volumen que causan SEI. partículas para arrojar. Como resultado, los intentos anteriores de desarrollar un electrodo de aluminio para baterías de iones de litio habían fracasado.

Ahí es donde surgió la idea de usar aluminio confinado en forma de nanopartículas de cáscara de yema. En el negocio de la nanotecnología, hay una gran diferencia entre las llamadas nanopartículas de “núcleo-cáscara” y “yema de cáscara”. Los primeros tienen una cáscara que está unida directamente al núcleo, pero las partículas de la cáscara de la yema presentan un vacío entre las dos, equivalente a donde estaría la clara de un huevo. Como resultado, el material de la “yema” puede expandirse y contraerse libremente, con poco efecto sobre las dimensiones y la estabilidad de la “cáscara”.

“Hicimos una cubierta de óxido de titanio”, dice Li, “que separa el aluminio del electrolito líquido” entre los dos electrodos de la batería. El caparazón no se expande ni se encoge mucho, dice, por lo que el revestimiento SEI en el caparazón es muy estable y no se cae, y el interior de aluminio está protegido del contacto directo con el electrolito.

El equipo no lo planeó originalmente de esa manera, dice Li, profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance, que tiene una cita conjunta en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.

“Se nos ocurrió el método por casualidad, fue un descubrimiento casual”, dice. Las partículas de aluminio que utilizaron, que tienen unos 50 nanómetros de diámetro, tienen naturalmente una capa oxidada de alúmina (Al2O3). “Necesitábamos deshacernos de él, porque no es bueno para la conductividad eléctrica”, dice Li.

Terminaron convirtiendo la capa de alúmina en titania (TiO2), mejor conductor de electrones e iones de litio cuando es muy delgada. Los polvos de aluminio se colocaron en sulfúricos ácido saturado con oxisulfato de titanio. Cuando la alúmina reacciona con el ácido sulfúrico, se libera un exceso de agua que reacciona con el oxisulfato de titanio para formar una capa sólida de hidróxido de titanio con un espesor de 3 a 4 nanómetros. Lo sorprendente es que, si bien esta capa sólida se forma casi instantáneamente, si las partículas permanecen en el ácido durante algunas horas más, el núcleo de aluminio se contrae continuamente para convertirse en una “yema” de 30 nm de ancho, lo que muestra que los iones pequeños pueden atravesar el caparazón.

A continuación, las partículas se tratan para obtener las partículas de cáscara de yema de aluminio-titania (ATO) finales. Después de ser probado a través de 500 ciclos de carga y descarga, la capa de titania se vuelve un poco más gruesa, dice Li, pero el interior del electrodo permanece limpio sin acumulación de SEI, lo que demuestra que la capa encierra completamente el aluminio mientras permite que los iones y electrones de litio se acumulen. entrar y salir. El resultado es un electrodo que da más de tres veces la capacidad del grafito (1,2 Ah / g) a una velocidad de carga normal, dice Li. A velocidades de carga muy rápidas (seis minutos hasta la carga completa), la capacidad sigue siendo de 0,66 Ah / g después de 500 ciclos.

Los materiales son económicos y el método de fabricación podría ser simple y fácilmente escalable, dice Li. Para aplicaciones que requieren una batería de alta densidad de energía y potencia, dice, “es probablemente el mejor material de ánodo disponible”. Las pruebas de celda completa que utilizan fosfato de hierro y litio como cátodo han tenido éxito, lo que indica que ATO está bastante cerca de estar listo para aplicaciones reales.

“Estas partículas de cáscara de yema muestran un rendimiento muy impresionante en las pruebas a escala de laboratorio”, dice David Lou, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, que no participó en este trabajo. “Para mí, el punto más atractivo de este trabajo es que el proceso parece simple y escalable”.

Hay mucho trabajo en el campo de las baterías que utiliza “síntesis complicada con instalaciones sofisticadas”, agrega Lou, pero tales sistemas “es poco probable que tengan un impacto en las baterías reales. … Las cosas simples tienen un impacto real en el campo de la batería “.

El equipo de investigación incluyó a Sa Li, Yu Cheng Zhao y Chang An Wang de la Universidad Tsinghua en Beijing y Junjie Niu, Kangpyo So y Chao Wang del MIT. El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.

Publicación : Sa Li, et al., “Ánodo de nanopartículas de cáscara de yema de aluminio de alta velocidad para batería de iones de litio con ciclo de vida largo y capacidad ultra alta”, Nature Communications 6, número de artículo: 7872; doi: 10.1038 / ncomms8872

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