¿Podrían las “sales de roca desordenadas” poner orden en las baterías de litio de próxima generación?

Imagen de un gran cristal de sal.
Agrandar / Cristales de roca ordenados, cortesía de una mina de sal.

Las mejores baterías son una tecnología habilitadora crítica para todo, desde sus dispositivos hasta la estabilidad de una red cada vez más renovable. Pero se han probado la mayoría de las formas obvias de exprimir más capacidad en una batería, y todas tienen problemas. Si bien puede haber formas de resolver esos problemas, necesitarán mucho trabajo para superar esos obstáculos.

A principios de esta semana, un documento cubre un nuevo material de electrodo que parece evitar los problemas que han plagado otros enfoques para expandir la capacidad de la batería. Y es un material notablemente simple: una variación de la misma estructura que está formada por cristales de sal de mesa. Si bien está lejos de estar listo para agregar una batería, los primeros datos definitivamente indican que vale la pena investigar más.

Densidad de litio

Las baterías de iones de litio, como su nombre lo indica, implican mezclar litio entre el cátodo y el ánodo de la batería. La consecuencia de esto es que ambos electrodos terminarán necesitando almacenar átomos de litio. Por lo tanto, la mayoría de las ideas para baterías de próxima generación implican encontrar materiales para electrodos que lo hagan de manera más efectiva.

El más simple de ellos es probablemente usar un electrodo que sea de metal de litio. Eso funciona desde una perspectiva química, siempre que el litio reactivo esté debidamente protegido. Pero hay problemas desde una perspectiva física: no hay nada en el electrodo para estructurar el litio una vez que regresa durante un ciclo de carga / descarga. Por lo tanto, el metal que se vuelve a formar tiende a ser irregular y puntiagudo, y eventualmente perforará la membrana que separa los dos electrodos.

Un enfoque que funciona para el otro electrodo es simplemente reaccionar el litio con oxígeno, almacenándolo como óxido de litio. Nuevamente, hay problemas estructurales aquí con la forma en que se forma el óxido. Pero la mayoría de los problemas son químicos, ya que ocurren muchas reacciones secundarias, algunas de ellas con los otros componentes de la batería, que rápidamente hacen que la capacidad disminuya.

Por lo tanto, otros investigadores se han centrado en materiales de electrodos que pueden almacenar mucho más litio. Varios materiales de azufre funcionan, pero también tienden a reaccionar de manera que reducen la capacidad de la batería. El silicio está más cerca de ser químicamente inerte en las baterías, pero meter tanto litio hace que se expanda drásticamente (un problema también con los electrodos a base de azufre). Como resultado, tiende a romper físicamente la batería a menos que haya alguna forma de controlar esta expansión.

Hasta ahora, no ha habido mucha discusión sobre los materiales que resuelven los problemas químicos y estructurales. Pero eso es exactamente lo que parecen prometer las sales de rocas desordenadas.

Conducta desordenada

Entonces, ¿qué es exactamente una sal de roca desordenada? Se comprenden mejor comenzando con sales de roca ordenadas, y están representadas por cristales de cloruro de sodio. En estos cristales, los iones de sodio y cloruro forman estructuras regulares y ordenadas. Puede pensar en estos como una serie de cosas como cubos o pirámides, con iones en cada una de las esquinas de la forma. Esta estructura deja poco espacio abierto, ya que los iones están apretados y cada rincón disponible tiene uno.

Los cristales de roca desordenados tienen el mismo tipo de estructura ordenada que sus parientes, pero simplemente no empaquetan iones en todas las ubicaciones posibles de esa estructura. Los sitios precisos que carecen de iones pueden variar, razón por la cual se les llama “desordenados”: su estructura teórica es muy ordenada, pero está llena de forma un tanto caótica.

Entonces, ¿qué tiene esto que ver con las baterías? Se pueden formar sales de rocas desordenadas con algunos de estos espacios llenos de iones de litio. Y es posible introducir algunos iones de litio adicionales en los puntos dentro del cristal que de otro modo podrían estar desocupados en su forma desordenada.

Carga y descarga

Para este trabajo, una gran colaboración con sede en EE. UU. Utilizó un material construido a partir de una combinación de litio, vanadio y oxígeno. El marco de cristal tiene la fórmula V2O5, con un número variable de iones de litio incorporados. Para averiguar cuántos, los investigadores fabricaron parte del material y lo cargaron y descargaron. A continuación, tomaron imágenes del material usando una combinación de difracción de rayos X y neutrones, así como microscopía electrónica. También construyeron un modelo químico dinámico del proceso de carga / descarga.

Como se esperaba, el ciclo de carga y descarga involucró el cambio de iones de litio hacia adentro y hacia afuera de la estructura. En carga máxima, el material puede contener casi cinco iones de litio por cada V2Unidad O5. Cuando se vació por completo de litio, se redujo a poco menos de tres iones de litio por cada unidad de V2O5. Críticamente, dado que encaja en una estructura muy ordenada, el litio agregado no la cambia mucho, solo se expande en un total de 5.9 por ciento.

El proceso de carga y descarga de litio no es un proceso estático de colocar los nuevos iones en su lugar. En cambio, el litio ocupará preferentemente algunas ubicaciones en el cristal, pero cambiará a otras a medida que ingresen iones de litio adicionales y cambien el entorno de carga. Además, los iones de vanadio también pueden cambiar su estado de oxidación durante este proceso.

Una batería real

Lo interesante de este cambio de cargas es que es muy fácil recuperar algunas de las cargas. Cuando los investigadores construyeron una batería usándola, encontraron que alrededor del 40 por ciento de su capacidad total se podía descargar en solo 20 segundos. Y la capacidad total fue solo un poco menor que la reportada para las baterías que usan un electrodo de litio-metal puro.

Mejor aún, estaba estable. Después de 1,000 ciclos de carga / descarga, que son casi tres años de carga diaria, todavía tenía el 87 por ciento de su capacidad original. Y enviaron uno a 6.000 ciclos y descubrieron que todavía funcionaba.

El gran problema con el material en este momento es que el LiXV2O5 no se comporta bien, lo que significa que la recolección de cargas necesarias para una batería funcional no funciona de manera muy eficiente. Los investigadores sugieren que será necesario dopar el material con algo más conductor o romper la sal de roca con algún tipo de material conductor.

Pero ese parece ser un desafío menor que los que enfrentan muchos de los materiales alternativos que se han considerado como electrodos de batería. Por supuesto, pueden surgir otros problemas al intentar descubrir cómo producir algo como esto a escala. Pero los resultados iniciales sugieren que alguien, sin duda, intentará averiguar cuáles podrían ser esos problemas.

Naturaleza, 2020. DOI: 10.1038 / s41586-020-2637-6 (Acerca de los DOI).

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