Los científicos han sintetizado un nuevo material de cátodo a partir de fluoruro de hierro que supera los límites de capacidad de las baterías tradicionales de iones de litio. Un nuevo material de cátodo, una forma modificada de trifluoruro de hierro (FeF3), que se compone de elementos rentables y ambientalmente benignos: hierro y flúor.
Traducción: A medida que la demanda de teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y energía renovable sigue aumentando, los científicos están buscando formas de mejorar las baterías de iones de litio, el tipo más común de batería que se encuentra en la electrónica del hogar y una solución prometedora para el almacenamiento de energía a escala de red. El aumento de la densidad de energía de las baterías de iones de litio podría facilitar el desarrollo de tecnologías avanzadas con baterías de larga duración, así como el uso generalizado de la energía eólica y solar. Ahora, los investigadores han logrado un progreso significativo hacia el logro de ese objetivo.
Una colaboración liderada por científicos de la Universidad de Maryland (UMD), el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos han desarrollado y estudiado un nuevo material de cátodo que podría triplicar la densidad de energía del ion de litio electrodos de batería. Su investigación fue publicada el 13 de junio en Nature Communications .
"Las baterías de iones de litio consisten en un ánodo y un cátodo", dijo Xiulin Fan, científico de UMD y uno de los principales autores del artículo. "En comparación con la gran capacidad de los ánodos comerciales de grafito utilizados en las baterías de iones de litio, la capacidad de los cátodos es mucho más limitada. Los materiales del cátodo son siempre el cuello de botella para mejorar aún más la densidad energética de las baterías de iones de litio".
Los científicos de UMD sintetizaron un nuevo material de cátodo, una forma modificada y modificada de trifluoruro de hierro (FeF3), que se compone de elementos rentables y ambientalmente benignos: hierro y flúor. Los investigadores han estado interesados en utilizar compuestos químicos como FeF3 en baterías de iones de litio porque ofrecen capacidades inherentemente más altas que los materiales tradicionales del cátodo.
"Los materiales normalmente utilizados en las baterías de iones de litio se basan en la química de intercalación", dijo Enyuan Hu, químico de Brookhaven y uno de los principales autores del artículo. "Este tipo de reacción química es muy eficiente, sin embargo, solo transfiere un solo electrón, por lo que la capacidad del cátodo es limitada. Algunos compuestos como FeF3 son capaces de transferir múltiples electrones a través de un mecanismo de reacción más complejo, llamado reacción de conversión".
A pesar del potencial de FeF3 para aumentar la capacidad del cátodo, históricamente el compuesto no ha funcionado bien en baterías de iones de litio debido a tres complicaciones con su reacción de conversión: baja eficiencia energética (histéresis), velocidad de reacción lenta y reacciones secundarias que pueden causar una vida deficiente del ciclo . Para superar estos desafíos, los científicos agregaron átomos de cobalto y oxígeno a nanohilos FeF3 a través de un proceso llamado sustitución química. Esto permitió a los científicos manipular la vía de reacción y hacerla más "reversible".
"Cuando los iones de litio se insertan en FeF3, el material se convierte en hierro y fluoruro de litio", dijo Sooyeon Hwang, coautor del artículo y científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven. "Sin embargo, la reacción no es completamente reversible. Después de sustituir con cobalto y oxígeno, el marco principal del material del cátodo se mantiene mejor y la reacción se vuelve más reversible".
Para investigar la vía de reacción, los científicos llevaron a cabo múltiples experimentos en CFN y en la Fuente de luz sincrotrónica nacional II (NSLS-II): dos instalaciones del usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven.
Primero en CFN, los investigadores usaron un poderoso haz de electrones para observar las nanovarillas FeF3 a una resolución de 0.1 nanómetros, una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión (TEM). El experimento TEM permitió a los investigadores determinar el tamaño exacto de las nanopartículas en la estructura del cátodo y analizar cómo la estructura cambió entre las diferentes fases del proceso de carga y descarga. Vieron una velocidad de reacción más rápida para las nanorods sustituidas.
"TEM es una poderosa herramienta para caracterizar materiales en escalas de longitud muy pequeñas, y también es capaz de investigar el proceso de reacción en tiempo real", dijo Dong Su, científico de CFN y coautor del estudio. "Sin embargo, solo podemos ver un área muy limitada de la muestra que usa TEM. Necesitamos confiar en las técnicas de sincrotrón en NSLS-II para comprender cómo funciona toda la batería".
En la línea de luz de difracción de polvo de rayos X (XPD) de NSLS-II, los científicos dirigieron rayos X ultrabrillantes a través del material del cátodo. Al analizar cómo se dispersó la luz, los científicos pudieron "ver" información adicional sobre la estructura del material.
"En XPD, llevamos a cabo mediciones de la función de distribución de pares (PDF), que son capaces de detectar pedidos locales de hierro en un gran volumen", dijo Jianming Bai, coautor del artículo y científico de NSLS-II. "El análisis PDF en los cátodos descargados claramente reveló que la sustitución química promueve la reversibilidad electroquímica".
La combinación de técnicas de imagenología y microscopía altamente avanzadas en CFN y NSLS-II fue un paso crítico para evaluar la funcionalidad del material del cátodo.
"También realizamos enfoques computacionales avanzados basados en la teoría funcional de la densidad para descifrar el mecanismo de reacción a escala atómica", dijo Xiao Ji, científico de UMD y coautor del artículo. "Este enfoque reveló que la sustitución química cambió la reacción a un estado altamente reversible al reducir el tamaño de partícula del hierro y estabilizar la fase rocksalt". Científicos de la UMD dicen que esta estrategia de investigación podría aplicarse a otros materiales de conversión de alta energía, y futuros estudios utilice el enfoque para mejorar otros sistemas de batería.
#2 Hacen falta muchas baterías milagrosas de la semana para que la tecnología avance. El futuro de las energías renovables depende en gran medida del desarrollo y abaratamiento de las baterias.
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Traducción: A medida que la demanda de teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y energía renovable sigue aumentando, los científicos están buscando formas de mejorar las baterías de iones de litio, el tipo más común de batería que se encuentra en la electrónica del hogar y una solución prometedora para el almacenamiento de energía a escala de red. El aumento de la densidad de energía de las baterías de iones de litio podría facilitar el desarrollo de tecnologías avanzadas con baterías de larga duración, así como el uso generalizado de la energía eólica y solar. Ahora, los investigadores han logrado un progreso significativo hacia el logro de ese objetivo.
Una colaboración liderada por científicos de la Universidad de Maryland (UMD), el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos han desarrollado y estudiado un nuevo material de cátodo que podría triplicar la densidad de energía del ion de litio electrodos de batería. Su investigación fue publicada el 13 de junio en Nature Communications .
"Las baterías de iones de litio consisten en un ánodo y un cátodo", dijo Xiulin Fan, científico de UMD y uno de los principales autores del artículo. "En comparación con la gran capacidad de los ánodos comerciales de grafito utilizados en las baterías de iones de litio, la capacidad de los cátodos es mucho más limitada. Los materiales del cátodo son siempre el cuello de botella para mejorar aún más la densidad energética de las baterías de iones de litio".
Los científicos de UMD sintetizaron un nuevo material de cátodo, una forma modificada y modificada de trifluoruro de hierro (FeF3), que se compone de elementos rentables y ambientalmente benignos: hierro y flúor. Los investigadores han estado interesados en utilizar compuestos químicos como FeF3 en baterías de iones de litio porque ofrecen capacidades inherentemente más altas que los materiales tradicionales del cátodo.
"Los materiales normalmente utilizados en las baterías de iones de litio se basan en la química de intercalación", dijo Enyuan Hu, químico de Brookhaven y uno de los principales autores del artículo. "Este tipo de reacción química es muy eficiente, sin embargo, solo transfiere un solo electrón, por lo que la capacidad del cátodo es limitada. Algunos compuestos como FeF3 son capaces de transferir múltiples electrones a través de un mecanismo de reacción más complejo, llamado reacción de conversión".
A pesar del potencial de FeF3 para aumentar la capacidad del cátodo, históricamente el compuesto no ha funcionado bien en baterías de iones de litio debido a tres complicaciones con su reacción de conversión: baja eficiencia energética (histéresis), velocidad de reacción lenta y reacciones secundarias que pueden causar una vida deficiente del ciclo . Para superar estos desafíos, los científicos agregaron átomos de cobalto y oxígeno a nanohilos FeF3 a través de un proceso llamado sustitución química. Esto permitió a los científicos manipular la vía de reacción y hacerla más "reversible".
"Cuando los iones de litio se insertan en FeF3, el material se convierte en hierro y fluoruro de litio", dijo Sooyeon Hwang, coautor del artículo y científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven. "Sin embargo, la reacción no es completamente reversible. Después de sustituir con cobalto y oxígeno, el marco principal del material del cátodo se mantiene mejor y la reacción se vuelve más reversible".
Para investigar la vía de reacción, los científicos llevaron a cabo múltiples experimentos en CFN y en la Fuente de luz sincrotrónica nacional II (NSLS-II): dos instalaciones del usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven.
Primero en CFN, los investigadores usaron un poderoso haz de electrones para observar las nanovarillas FeF3 a una resolución de 0.1 nanómetros, una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión (TEM). El experimento TEM permitió a los investigadores determinar el tamaño exacto de las nanopartículas en la estructura del cátodo y analizar cómo la estructura cambió entre las diferentes fases del proceso de carga y descarga. Vieron una velocidad de reacción más rápida para las nanorods sustituidas.
"TEM es una poderosa herramienta para caracterizar materiales en escalas de longitud muy pequeñas, y también es capaz de investigar el proceso de reacción en tiempo real", dijo Dong Su, científico de CFN y coautor del estudio. "Sin embargo, solo podemos ver un área muy limitada de la muestra que usa TEM. Necesitamos confiar en las técnicas de sincrotrón en NSLS-II para comprender cómo funciona toda la batería".
En la línea de luz de difracción de polvo de rayos X (XPD) de NSLS-II, los científicos dirigieron rayos X ultrabrillantes a través del material del cátodo. Al analizar cómo se dispersó la luz, los científicos pudieron "ver" información adicional sobre la estructura del material.
"En XPD, llevamos a cabo mediciones de la función de distribución de pares (PDF), que son capaces de detectar pedidos locales de hierro en un gran volumen", dijo Jianming Bai, coautor del artículo y científico de NSLS-II. "El análisis PDF en los cátodos descargados claramente reveló que la sustitución química promueve la reversibilidad electroquímica".
La combinación de técnicas de imagenología y microscopía altamente avanzadas en CFN y NSLS-II fue un paso crítico para evaluar la funcionalidad del material del cátodo.
"También realizamos enfoques computacionales avanzados basados en la teoría funcional de la densidad para descifrar el mecanismo de reacción a escala atómica", dijo Xiao Ji, científico de UMD y coautor del artículo. "Este enfoque reveló que la sustitución química cambió la reacción a un estado altamente reversible al reducir el tamaño de partícula del hierro y estabilizar la fase rocksalt". Científicos de la UMD dicen que esta estrategia de investigación podría aplicarse a otros materiales de conversión de alta energía, y futuros estudios utilice el enfoque para mejorar otros sistemas de batería.
La noticia de la batería milagrosa de la semana... Ya estábamos a domingo, casi nos la perdemos.
#2 Hacen falta muchas baterías milagrosas de la semana para que la tecnología avance. El futuro de las energías renovables depende en gran medida del desarrollo y abaratamiento de las baterias.