La verdadera forma del litio revelada por primera vez en una investigación de la UCLA

Jul 27, 2023

Un descubrimiento fundamental y una nueva técnica podrían conducir a baterías recargables mejores y más seguras

Los investigadores de Li Lab/UCLAUCLA desarrollaron una forma de depositar litio metálico sobre una superficie evitando al mismo tiempo la capa de corrosión que normalmente se forma. Sin esa corrosión, el metal toma una forma nunca antes vista, una pequeña figura de 12 lados.

4 de agosto de 2023

Publicado originalmente en la sala de prensa de UCLA

Las baterías recargables de iones de litio alimentan teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía solar y eólica, entre otras tecnologías.

Descienden de otra tecnología, la batería de litio-metal, que no se ha desarrollado ni adoptado tan ampliamente. Hay una razón para ello: si bien las baterías de litio metálico tienen el potencial de contener aproximadamente el doble de energía que las baterías de iones de litio, también presentan un riesgo mucho mayor de incendiarse o incluso explotar.

Ahora, un estudio realizado por miembros de laInstituto de Nanosistemas de California en UCLArevela un descubrimiento fundamental que podría conducir a baterías de litio-metal más seguras que superen a las baterías de iones de litio actuales.La investigación fue publicada2 de agosto en la revista Nature.

El litio metálico reacciona tan fácilmente con los productos químicos que, en condiciones normales, se forma corrosión casi inmediatamente mientras el metal se deposita sobre una superficie como un electrodo. Pero los investigadores de la UCLA desarrollaron una técnica que previene esa corrosión y demostraron que, en su ausencia, los átomos de litio se ensamblan en una forma sorprendente: el dodecaedro rómbico, una figura de 12 caras similar a los dados utilizados en juegos de rol como Calabozos y Dragones. .

"Hay miles de artículos sobre el litio metálico, y la mayoría de las descripciones de la estructura son cualitativas, como 'gruesas' o 'en forma de columna'", dijo Yuzhang Li, autor correspondiente del estudio, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA y miembro del CNSI. “Para nosotros fue sorprendente descubrir que cuando prevenimos la corrosión de la superficie, en lugar de estas formas mal definidas, vimos un poliedro singular que coincide con las predicciones teóricas basadas en la estructura cristalina del metal. En última instancia, este estudio nos permite revisar cómo entendemos las baterías de litio-metal”.

A escalas pequeñas, una batería de iones de litio almacena átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo. Por el contrario, una batería de litio-metal recubre el electrodo con litio metálico. Esto contiene 10 veces más litio en el mismo espacio en comparación con las baterías de iones de litio, lo que explica el aumento tanto en el rendimiento como en el peligro.

El proceso para colocar el recubrimiento de litio se basa en una técnica de más de 200 años que emplea electricidad y soluciones de sales llamadas electrolitos. A menudo, el litio forma filamentos ramificados microscópicos con púas que sobresalen. En una batería, si dos de esos picos se entrecruzan, puede provocar un cortocircuito que podría provocar una explosión.

La revelación de la verdadera forma del litio (es decir, en ausencia de corrosión) sugiere que el riesgo de explosión de las baterías de litio-metal puede reducirse, porque los átomos se acumulan en una forma ordenada en lugar de una que pueda entrecruzarse. El descubrimiento también podría tener implicaciones sustanciales para la tecnología energética de alto rendimiento.

"Los científicos e ingenieros han producido más de dos décadas de investigación sobre la síntesis de metales, incluidos el oro, el platino y la plata, en formas como nanocubos, nanoesferas y nanobarras", dijo Li. "Ahora que conocemos la forma del litio, la pregunta es: ¿podemos ajustarlo para que forme cubos que puedan empaquetarse densamente para aumentar tanto la seguridad como el rendimiento de las baterías?"

Hasta ahora, la opinión predominante había sido que la elección de los electrolitos en solución determina la forma que adopta el litio en una superficie, ya sea que la estructura parezca trozos o columnas. Los investigadores de UCLA tuvieron una idea diferente.

"Queríamos ver si podíamos depositar litio tan rápidamente que superáramos la reacción que causa la película de corrosión", dijo el estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular de UCLA, Xintong Yuan, primer autor del estudio. "De esa manera, podríamos ver cómo el litio quiere crecer en ausencia de esa película".

Los investigadores desarrollaron una nueva técnica para depositar litio más rápido que la corrosión. Hicieron pasar corriente a través de un electrodo mucho más pequeño para expulsar la electricidad más rápido, de forma muy parecida a como bloquear parcialmente la boquilla de una manguera de jardín hace que el agua salga disparada con más fuerza.

Sin embargo, se requería un equilibrio, porque acelerar demasiado el proceso conduciría a las mismas estructuras puntiagudas que causan cortocircuitos; El equipo abordó ese problema ajustando la forma de su pequeño electrodo.

Colocaron litio sobre superficies utilizando cuatro electrolitos diferentes, comparando los resultados entre una técnica estándar y su nuevo método. Con la corrosión, el litio formó cuatro formas microscópicas distintas. Sin embargo, con su proceso libre de corrosión, descubrieron que el litio formaba dodecaedros minúsculos (no mayores de 2 millonésimas de metro, o aproximadamente la longitud promedio de una sola bacteria) en los cuatro casos.

Los investigadores pudieron ver la forma del litio gracias a una técnica de imágenes llamada microscopía crioelectrónica, o crio-EM, que transmite electrones a través de muestras congeladas para mostrar detalles hasta el nivel atómico e inhibir el daño a las muestras.

Cryo-EM se ha vuelto omnipresente en las biociencias para determinar las estructuras de proteínas y virus. El uso de la ciencia de materiales está creciendo y los investigadores de la UCLA tenían dos ventajas clave.

Primero, cuando Li era un estudiante de posgrado, demostró que la crio-EM se puede utilizar para analizar el litio, que se desmorona cuando se expone a un haz de electrones a temperatura ambiente. (Su estudio fue publicado en 2017 en la revista Science). En segundo lugar, el equipo realizó experimentos en el CNSI.Centro de Imagen Electrónica para Nanomáquinas,que alberga varios instrumentos crio-EM que se han personalizado para adaptarse a los tipos de muestras utilizadas en la investigación de materiales.

"La polinización cruzada entre las comunidades de biología y química está produciendo nuevas ideas", dijo Matthew Mecklenburg, coautor del estudio y director general del centro de imágenes. "Estamos aplicando nuestra amplia experiencia en el análisis de moléculas pequeñas, proteínas y virus utilizando métodos crio-EM en nuevas formas de observar los materiales de las baterías que son sensibles al haz de electrones".

Li dijo que la nueva técnica para depositar litio aún requiere más trabajo para optimizarla.

Bo Liu, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular de UCLA, también es coautor del estudio. La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Fondo de Innovación de la Familia Noble del CNSI.