Observan en tiempo real cómo funciona una batería de litio en la escala nanométrica

Diagrama de fases Fe-F-Li (izda) e ilustración esquemática (dcha) de la propagación del frente de la reacción química a través de una nanopartícula de FeF2. (C) Nature Communications

Seguro que tienes muchas baterías de litio en casa y sabes bien que su vida útil es bastante corta (con recargas diarias aguantan solo un par de años). En muchas aplicaciones (como los automóviles eléctricos) se necesita que tengan una vida útil mucho más larga (al menos una década). Para desarrollar las baterías de litio del futuro es necesario comprender cómo funcionan los electrodos en la nanoescala. Gracias a una nanocelda electroquímica y un microscopio electrónico de transmisión se ha podido observar el transporte de los iones de litio en el electrodo en tiempo real durante la descarga y la recarga. El electrodo de la celda está formado por nanopartículas de FeF2 de unos 10-20 nm de diámetro depositadas sobre una fina capa de carbono; el transporte del litio por la superficie provoca la formación de una capa exterior de nanocristales de LiF y de átomos de Fe de unos 1-3 nm de grosor. Las imágenes en tiempo real permiten ver los detalles de este proceso, que dura solo unos pocos minutos, y cuya morfología recuerda a una descomposición espinodal. La figura que abre esta entrada ilustra la difusión de los iones de litio con carga positiva a través de la superficie de la nanopartícula de FeF2 y la formación de un frente (como el de un fuego en un monte) que barre rápidamente toda la superficie; una vez barrida la superficie, el proceso ocurre hacia el interior, pero de forma mucho más lenta, capa a capa, hasta alcanzar un grosor de unos pocos nanómetros. Este estudio de Feng Wang (BNL, Brookhaven National Laboratory, NY, EEUU) y sus colegas permitirá conocer con sumo detalle el transcurso de las reacciones físico-químicas de los iones de litio en los electrones, lo que se espera que permita optimizar el funcionamiento de las baterías. El artículo técnico es Feng Wang et al., “Tracking lithium transport and electrochemical reactions in nanoparticles,” Nature Communications 3: 1201, 13 Nov 2012 [copia gratis].

Estudios previos ya habían demostrado la formación de una capa de Fe y LiF en la superficie del cátodo de FeF2 durante la conversión del litio; esta red conductora de hierro permite el transporte de los electrones necesario para la recarga de la batería. Para optimizar el diseño de los cátodos es necesario conocer en detalle cómo ocurre este proceso, cuyos defectos son responsables del envejecimiento de la batería. Para lograrlo ha sido necesario usar técnicas in-situ de alta resolución, como el microscopio electrónico de transmisión (TEM), que permiten explorar la morfología y la estructura de los cambios en el electrodo en la nanoescala. El problema que han resuelto estos físicos ha sido desarrollar una nanocelda electroquímica adecuada para su uso en el TEM.

Este vídeo ha sido grabado a dos fotogramas por segundo y se ha acelerado 42 veces para acortar su duración (el proceso total dura entre 3-12 minutos dependiendo de la nanocelda). El proceso de conversión del litio conlleva la formación de pequeñas partículas de hierro subnanométricas que reaccionan con el interior de la nanocelda de FeF2 creciendo en volumen hasta generar nanopartículas de hierro con un diámetro entre 1-3 nm. Entre el 41-57% del volumen está formado por partículas de LiF y alrededor del 21% por partículas de Fe, por tanto las partículas de Fe y LiF no están empaquetadas de forma densa (un diseño óptimo de la nanocelda de FeF2 podría mejorar este empaquetamiento). El proceso tiene dos escalas de tiempo. En la más rápida los iones de litio se difunden rápìdamente por la superficie empezando por la región en contacto con el sustrato de carbono hasta recubrir la nanocelda. En la escala de tiempo más lento, el proceso ocurre desde el exterior hacia el interior (su análisis detallado ha requerido el uso de técnicas espectroscópicas y de difracción de rayos X). The reaction within individual particles is surprisingly fast,

Algunos lectores quizás necesiten un breve explicación de cómo funciona una batería de litio. Los iones de Li (cuya carga es positiva) generan electricidad en la pila al pasar de un electrodo con carga negativa a otro con carga positiva. En una batería totalmente cargada todos los iones de Li están almacenados rellenado el electrodo negativo. Una vez descargada (si la descarga es completa) todos han pasado al otro electrodo. Para recargar la batería se invierte este proceso aplicando una corriente eléctrica (electrones) que permite el retorno de los iones de Li hasta el primer electrodo. En una batería nueva este proceso es bastante eficaz, pero el envejecimiento de los electrodos (asociado a un fenómeno de histéresis) hace que en cada ciclo de descarga/recarga se degrade la estructura del material y la eficacia se reduzca hasta que la batería se vuelve inútil (o poco práctica).

Más sobre baterías de litio y otras baterías en este blog: “De Juana la Loca hasta las baterías de litio viajando por algunos carnavales de ciencias,” 28 octubre 2012; “Adiós a las baterías de litio, llegan las baterías recargables de aluminio,” 14 enero 2012; “Nueva batería de Litio para el conejito de Duracell ¡y duran, y duran, …! (o la nanotecnología hasta en la sopa),” 8 febrero 2008; y “Más sobre la nanodinamita: Energía eléctrica gracias a la combustión oscilatoria en nanotubos de carbono recubiertos,” 13 febrero 2012.

Esta entrada participa en la XIX Edición del Carnaval de Química que organiza Leet mi explain, y en la XXXVI Edición del Carnaval de Física que organiza Gravedad Cero.

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