Argonne National Lab crea litio

Oct 17, 2023

Los investigadores del Argonne National Lab creen que pueden tener una solución para las baterías de iones de litio que funcionan mal en el frío.

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Las personas que viven en climas fríos y conducen automóviles eléctricos saben que las baterías de iones de litio de su automóvil no funcionan tan bien en temperaturas bajo cero. No cargan tan rápido y no llegan tan lejos. Es un problema, pero el Laboratorio Nacional de Argonne dice que puede tener la respuesta.

En una publicación de blog, los científicos de Argonne dicen que en las baterías de iones de litio actuales, el electrolito líquido que sirve como vía para que los iones viajen entre el cátodo y el ánodo cuando la batería se carga y descarga comienza a congelarse a temperaturas bajo cero. . Esta condición limita severamente la efectividad de cargar vehículos eléctricos en regiones y estaciones frías.

Un equipo de científicos de los laboratorios nacionales Argonne y Lawrence Berkeley colaboró ​​para desarrollar un electrolito fluorado que funciona bien incluso en temperaturas bajo cero. "Nuestra investigación demostró cómo adaptar la estructura atómica de los solventes de electrolitos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero", dice John Zhang, quien dirige el grupo de investigación en Argonne National Lab.

"Nuestro equipo no solo encontró un electrolito anticongelante cuyo rendimiento de carga no disminuye a menos 4 grados Fahrenheit, sino que también descubrimos, a nivel atómico, qué lo hace tan efectivo", dijo Zhang, químico senior y líder de grupo en División de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne. Este electrolito de baja temperatura se muestra prometedor en el trabajo para baterías en vehículos eléctricos, así como en el almacenamiento de energía para redes eléctricas y productos electrónicos de consumo como computadoras y teléfonos.

No hace falta saber cómo funciona una batería para conducir un coche eléctrico, al igual que no hace falta saber cómo funciona un motor de cuatro tiempos para conducir un coche convencional. La mayoría de nosotros probablemente tenga poco más que una comprensión rudimentaria de cómo funcionan las baterías de iones de litio. Argonne Lab explica que el electrolito utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio en la actualidad es una mezcla de una sal ampliamente disponible, hexafluorofosfato de litio, y solventes de carbonato como el carbonato de etileno. Los solventes disuelven la sal para formar un líquido.

Cuando se carga una batería, el electrolito líquido transporta iones de litio desde el cátodo, que suele ser un óxido que contiene litio, hasta el ánodo, que normalmente está hecho de grafito. Estos iones migran fuera del cátodo, luego pasan a través del electrolito en el camino hacia el ánodo. Mientras se transportan a través del electrolito, se asientan en el centro de grupos de cuatro o cinco moléculas de solvente.

Durante las pocas cargas iniciales, estos grupos golpean la superficie del ánodo y forman una capa protectora llamada interfase de electrolito sólido. Una vez formada, esta capa actúa como un filtro. Permite que solo los iones de litio pasen a través de la capa mientras bloquea las moléculas de solvente. Eso es lo que permite que el ánodo almacene átomos de litio en la estructura del grafito cuando la batería está cargada. Durante la fase de descarga, las reacciones electroquímicas liberan electrones del litio para generar electricidad que luego se utiliza para impulsar vehículos eléctricos.

Cuando baja la temperatura, el electrolito con solventes de carbonato comienza a congelarse. Eso, a su vez, hace que pierda su capacidad de transportar iones de litio al ánodo durante la carga porque los iones de litio están muy unidos dentro de los grupos de solventes. Por lo tanto, esos iones requieren mucha más energía para evacuar sus grupos y penetrar la capa de interfaz que a temperatura ambiente. Los científicos creían que la solución al bajo rendimiento en climas fríos era encontrar un disolvente mejor que no se congelara.

El equipo investigó varios solventes que se infundieron con flúor y pudieron identificar el que tenía la barrera de energía más baja para liberar iones de litio de los grupos a temperatura bajo cero. También determinaron a escala atómica por qué esa composición en particular funcionó tan bien: dependía de la posición de los átomos de flúor dentro de cada molécula de solvente y su número.

En las pruebas con celdas de laboratorio, el electrolito fluorado retuvo una capacidad de almacenamiento de energía estable durante 400 ciclos de carga/descarga a menos 4 grados Fahrenheit. Incluso a esa temperatura, la capacidad de la batería era equivalente a la de una celda con un electrolito convencional a base de carbonato a temperatura ambiente. "Nuestra investigación demostró cómo adaptar la estructura atómica de los solventes de electrolitos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero", dijo Zhang.

El electrolito anticongelante también vino con una ventaja importante. Es mucho más seguro que los electrolitos a base de carbonato que se utilizan actualmente, ya que no se incendiará. "Estamos patentando nuestro electrolito más seguro y de baja temperatura y ahora estamos buscando un socio industrial para adaptarlo a uno de sus diseños para baterías de iones de litio", dijo Zhang.

Los compañeros científicos de Zhang en Argonne son Dong-Joo Yoo, Qian Liu y Minkyu Kim. Los autores de Berkeley Lab son Orion Cohen y Kristin Persson. El trabajo fue financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, Oficina de Tecnologías de Vehículos.

Crédito de la imagen: Argonne National Lab a través de Advanced Energy Materials

La investigación se explica con exquisito detalle en la revista Advanced Energy Materials. No soy científico, ni he interpretado nunca uno en televisión. Eso es algo bueno porque la prosa ampulosa de la mayoría de los escritos científicos hace que mis ojos se pongan vidriosos. Si está interesado en obtener más información sobre esta investigación, lo animo a seguir el enlace de arriba y dejarse llevar. El trabajo de investigación tiene el atractivo título de "Diseño racional de electrolitos fluorados para baterías de iones de litio de baja temperatura".

Muchos lectores de CleanTechnica son bastante expertos cuando se trata de cosas que funcionan con electricidad y sé que muchos de ustedes quieren saber si este nuevo electrolito tiene algún inconveniente negativo a temperatura ambiente o si reduce la vida útil de la batería, lo que podría evitar que los fabricantes de baterías se interesen. en esta nueva tecnología. Aquí hay un extracto de la investigación que puede abordar algunas de esas preocupaciones.

"La ciclabilidad a largo plazo a altas tasas de C y bajas temperaturas se considera uno de los aspectos desafiantes para las baterías de iones de litio. Para demostrar la superioridad de nuestros electrolitos, realizamos pruebas de ciclo a largo plazo con varias condiciones.

"Cuando se aplicó una corriente de 2 C a 25 °C, el electrolito de acetato de etilo con flúor decayó gradualmente hasta una capacidad de retención del 73 % después de 400 ciclos, mientras que el electrolito de acetato de etilo con aditivo LiDFOB mostró la mejor capacidad de retención del 91 % después de 400 ciclos. ciclos Esta tendencia continúa en una corriente más alta de 6 C.

"Mientras que Gen 2 se degradó rápidamente al 34 % en 50 ciclos, el electrolito con el aditivo LiDFOB mostró la mejor capacidad de retención del 85 % incluso después de 500 ciclos. Cuando se aplicó una corriente de C/3 a −20 °C, Gen 2 y etilo Los electrolitos de acetato mostraron una severa degradación de la capacidad, correspondiente a una retención de la capacidad del 7,5 % y el 34 % después de 300 ciclos, respectivamente.

"En marcado contraste, el acetato de etilo con electrolito de flúor con aditivo LiDFOB mostró una pérdida de capacidad insignificante y retuvo el 97 % de la capacidad incluso después de 300 ciclos. Además, en todas las condiciones de prueba, las eficiencias de Coulombic del electrolito EA-f con aditivo LiDFOB fueron más altos que los de otros electrolitos. El resultado de esta prueba de ciclo revela la estabilidad superior de nuestro electrolito para operaciones de carga rápida y baja temperatura".

Los motores de combustión interna de hoy en día comparten pocas características con los motores de hace 100 años, excepto por la premisa básica del motor de cuatro tiempos que puede reducirse a sus fundamentos con esta frase: Suck, Push, Bang, Blow. La tecnología de las baterías está progresando rápidamente en la actualidad, gracias a miles de investigadores de todo el mundo como el Dr. Zhang y sus colegas del Argonne National Lab.

El bajo rendimiento en climas fríos es un problema que debe resolverse antes de que la revolución EV pueda considerarse completa. Hay mucho que no sabemos sobre las baterías de iones de litio con electrolitos fluorados, empezando por cómo la presencia de flúor afectará la fabricación y el reciclaje de las baterías de iones de litio.

Después de todo, el flúor es un químico poderoso que daña la capa de ozono cuando llega a la atmósfera. Además, las diferentes químicas de las baterías, como el fosfato de hierro y litio, parecen verse menos afectadas por las bajas temperaturas que las baterías NMC más comunes. Quién sabe cómo pueden funcionar las baterías de sodio o azufre en el mundo real una vez que salen de los laboratorios y entran en producción comercial.

Lo único de lo que podemos estar relativamente seguros es de que las baterías en uso dentro de una década serán tan diferentes de las baterías actuales como lo son los transistores de los tubos de vacío. La revolución de los vehículos eléctricos apenas comienza. No podemos esperar a ver lo que viene después.

Steve escribe sobre la interfaz entre la tecnología y la sustentabilidad desde su hogar en Florida o desde cualquier otro lugar donde la Fuerza lo lleve. Está orgulloso de estar "despertado" y realmente no le importa por qué se rompió el vidrio. Cree apasionadamente en lo que dijo Sócrates hace 3000 años: "El secreto para cambiar es enfocar toda tu energía no en luchar contra lo viejo sino en construir lo nuevo".

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