Durante décadas, los científicos han intentado fabricar baterías fiables de metal de litio. Estas celdas de almacenamiento de alto rendimiento contienen un 50% más de energía que sus primos prolíficos de iones de litio, pero las tasas de falla más altas y los problemas de seguridad como incendios y explosiones han paralizado los esfuerzos de comercialización. Los investigadores han planteado la hipótesis de por qué fallan los dispositivos, pero la evidencia directa ha sido escasa.
Ahora, las primeras imágenes a nanoescala jamás tomadas en el interior de baterías de moneda de metal de litio intactas (también llamadas pilas de botón o baterías de reloj) desafían las teorías predominantes y podrían ayudar a que las futuras baterías de alto rendimiento, como las de vehículos eléctricos, sean más seguras, más potentes y más duraderas. perdurable.
“Estamos aprendiendo que deberíamos usar materiales separadores sintonizados para el metal de litio”, dijo la científica de baterías Katie Harrison, quien dirige el equipo de Sandia National Laboratories para mejorar el rendimiento de las baterías de metal de litio ”, dijo el científico.
El subproducto interno se acumula, mata las baterías
El equipo cargó y descargó repetidamente las pilas de botón de litio con la misma corriente eléctrica de alta intensidad que los vehículos eléctricos necesitan para cargar. Algunas células pasaron por unos pocos ciclos, mientras que otras pasaron por más de cien ciclos. Luego, las células se enviaron a Thermo Fisher Scientific en Hillsboro, Oregon, para su análisis.
Cuando el equipo revisó las imágenes del interior de las baterías, esperaban encontrar depósitos de litio en forma de aguja que se extendieran por la batería. La mayoría de los investigadores de baterías piensan que se forma un pico de litio después de ciclos repetitivos y que atraviesa un separador de plástico entre el ánodo y el cátodo, formando un puente que provoca un cortocircuito. Pero el litio es un metal blando, por lo que los científicos no han entendido cómo podría atravesar el separador.
El equipo de Harrison encontró un segundo culpable sorprendente: una acumulación dura formada como subproducto de las reacciones químicas internas de la batería. Cada vez que se recargaba la batería, el subproducto, llamado interfase de electrolitos sólidos, crecía. Tapando el litio, hizo agujeros en el separador, creando aberturas para que los depósitos de metal se extendieran y formaran un corto. Juntos, los depósitos de litio y el subproducto fueron mucho más destructivos de lo que se creía anteriormente, actuando menos como una aguja y más como una quitanieves.
"El separador está completamente triturado", dijo el investigador, y agregó que este mecanismo solo se ha observado con tasas de carga rápidas necesarias para vehículo eléctrico tecnologías, pero no tasas de carga más lentas.
Mientras los científicos de Sandia piensan en cómo modificar los materiales del separador, el investigador dice que también se necesitarán más investigaciones para reducir la formación de subproductos.
Los científicos combinan láseres con criogénicos para tomar imágenes "geniales"
Determinar la causa de muerte de una batería de botón es sorprendentemente difícil. El problema proviene de su carcasa de acero inoxidable. La carcasa de metal limita lo que los diagnósticos, como los rayos X, pueden ver desde el exterior, mientras que la extracción de partes de la celda para el análisis desgarra las capas de la batería y distorsiona cualquier evidencia que pueda haber en el interior.
"Tenemos diferentes herramientas que pueden estudiar diferentes componentes de una batería, pero realmente no hemos tenido una herramienta que pueda resolver todo en una imagen", dijo el investigador.
El investigador y sus colaboradores utilizaron un microscopio que tiene un láser para fresar la carcasa exterior de una batería. Lo emparejaron con un portamuestras que mantiene congelado el electrolito líquido de la celda a temperaturas entre menos 148 y menos 184 grados Fahrenheit (menos 100 y menos 120 grados Celsius, respectivamente). El láser crea una abertura lo suficientemente grande para que un haz de electrones estrecho entre y rebote en un detector, entregando una imagen de alta resolución de la sección transversal interna de la batería con suficiente detalle para distinguir los diferentes materiales.
El instrumento de demostración original, que era la única herramienta de este tipo en los Estados Unidos en ese momento, se construyó y todavía se encuentra en un laboratorio de Thermo Fisher Scientific en Oregon. Un duplicado actualizado ahora reside en Sandia. La herramienta se utilizará ampliamente en Sandia para ayudar a resolver muchos materiales y problemas de análisis de fallas.
