Un equipo del Laboratorio Nacional de Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida ha descubierto cómo pequeñas agujas de litio metálico conocidas como dendritas durante el uso de baterías de estado sólido, pueden conducir a cortocircuitos y fallo de batería.

La investigación del equipo proporciona una comprensión más clara de la formación de dendrita y podría ayudar a desarrollar baterías de estado sólido más confiables y eficientes para diversas aplicaciones, incluyendo vehículos eléctricos, sistemas de energía, dispositivos médicos y más.

 

Una bobina de resonancia magnética especializada y soporte de muestra diseñada para imágenes de baterías de iones de litio de estado sólido.  

© www.news.fsu.edu

 

 

"Si no entiendes el problema, es difícil abordarlo", dijo Yan-Yan Hu, un profesor de química y bioquímica de la FSU que dirigió la investigación. "Estamos tratando de entender los mecanismos de la formación de dendrita en sólidos"

 

La investigación ofrece un vistazo a lo que sucede dentro de una batería de litio de estado sólido a medida que se agota y recarga repetidamente. Los investigadores obtuvieron las imágenes sin precedentes desarrollando una sonda personalizada que les permitía ver dentro de la batería durante esos ciclos utilizando el sistema de resonancia magnética de la resonancia magnética de MagLab.

 

Las baterías de estado sólido, que utilizan un electrolito sólido en lugar de líquido o gel, son una tecnología de próxima generación con el potencial de revolucionar el almacenamiento de energía para vehículos eléctricos, electrónica de consumo y sistemas de energía renovable. Proporcionan más densidad de energía sin los problemas de seguridad de las baterías convencionales de iones de litio líquido, que son más propensas a sobrecalentar o incendiarse.

 

Sin embargo, el desarrollo de baterías de litio de estado sólido confiable enfrenta un desafío propio: la acumulación de dendritas. A medida que se utiliza la batería, estas diminutas agujas de litio metálico se forman y ramifican a través del material como árboles en crecimiento, conectándose entre sí y cortacircuando la batería.

Ahora, después de más de cinco años de investigación utilizando imanes únicos y técnicas personalizadas, un equipo en el MagLab ha señalado más claramente dónde y cómo se forman las dendritas.

 

El equipo de investigación descargó y recargaron baterías dentro de la sonda de resonancia magnética nuclear (NMR) y de resonancia magnética (RMN) en el campo magnético y observó la formación de dendrita dentro de las baterías para entender cómo se formaban las dendritas.

 

"Nuestros imanes de alto campo en el MagLab son ideales para analizar normalmente difíciles de detectar elementos como el litio, abriendo la tabla periódica a elementos de imagen no accesibles en campos magnéticos inferiores", dijo Sam Grant, profesor de ingeniería química y biomédica de la FSU y director del programa de resonancia magnética de MagLab que es autor principal del estudio.

 

El grupo también desarrolló un proceso único para marcar la fuente de la formación de dendrita químicamente, determinando si provenía de litio en el borde o en la mitad de la batería. La batería fue ciclo varias veces mientras los investigadores monitoreaban la acumulación de dendritas.

 

"Uno de los aspectos únicos de este estudio es la resonancia magnética de alto campo junto con la RMN.

La resonancia magnética ofrece una imagen de la distribución y crecimiento de la formación de dendrita, mientras que NMR proporciona información sobre la química y el origen del litio depositado como dendritas", dijo Grant.

 

La batería de ensayo consistió en dos electrodos hechos de litio sólido, emparedando un compuesto electrolítico sólido hecho de lo que se llama LLZO: litio lantano y óxido de circonio.

 

Su trabajo desenredó la compleja interacción entre dos mecanismos que causan dendritas. Las agujas de litio se acumulan primero en la interfaz entre el electrodo de la batería y el electrolito. El electrodo conecta el terminal de la batería al electrolito, que mueve partículas cargadas a través de la batería. Los investigadores también descubrieron que, a medida que la batería se utiliza y se recarga, también se forman otras dendritas en medio del electrolita sólido. Las dendritas en el borde y en el medio entonces se ramifican y pueden enlazar, lo que conduce a cortocircuitos y fallo de la batería.

 

"Ahora tenemos una comprensión completa de cómo estas dendritas pueden formar, crecer y evolucionar", dijo el estudiante graduado de la Universidad Estatal de Florida Yudan Chen, uno de los autores principales del trabajo.

 

Por qué importa

Las baterías de estado sólido se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo vehículos eléctricos, dispositivos médicos, electrónica portátil y más. Esta tecnología tiene el potencial de mejorar el uso de la batería en diversas industrias proporcionando una fuente de energía más segura, eficiente y duradera que los métodos existentes. Pero todavía hay desafíos con la fabricación, el costo y la ampliación de la producción que debe ser abordado antes de que puedan reemplazar las baterías tradicionales a escala masiva.

 

Con la nueva comprensión de lo que causa la acumulación de dendrita y la descomposición de la batería, esta investigación ofrece una manera de avanzar para diseñar mejores baterías de estado sólido.

 

Los científicos también están interesados en cómo esta investigación puede ayudar a avanzar en energías alternativas y asequibles de fuentes naturales.

 

"Tenemos muchas maneras de generar energía", dijo Chen. "El problema clave es cómo vamos a almacenar esa energía generada para dejarnos usarlo cuando sea necesario."

 

Fuente: https://news.fsu.edu/

 

 

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