Investigadores combaten la corrosión para revelar la verdadera forma del litio por primera vez

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Los átomos de litio en una superficie forman naturalmente un dodecaedro rómbico (una forma de 12 lados similar a un dado d12) cuando están protegidos de la corrosión. El descubrimiento podría tener importantes consecuencias para el desarrollo de baterías seguras de litio metálico, que hasta ahora se ha visto obstaculizado por crecimientos impredecibles de litio que plantean riesgos de incendio. La investigación se publica en Nature.

Las baterías recargables de iones de litio se pueden encontrar en casi todos los hogares y alimentan todo, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. También se utilizan ampliamente para aplicaciones de almacenamiento de energía industrial, como almacenar el exceso de energía producida a partir de energía solar y eólica en las horas pico.

Las baterías de iones de litio retienen energía almacenando átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo. Pero antes de que existieran las baterías de iones de litio, existían las baterías de metal de litio. En lugar de carbono, una batería de litio-metal recubre el electrodo con una fina lámina de litio metálico puro. Este pequeño cambio puede almacenar hasta 10 veces más litio en el mismo espacio en comparación con las baterías de iones de litio, lo que resulta en un rendimiento significativamente mayor.

Pero las baterías recargables de litio-metal también son mucho más peligrosas. El litio metálico es altamente reactivo, hasta el punto en que la corrosión comienza a aparecer casi inmediatamente durante la deposición del metal sobre un electrodo. Esto puede provocar que los átomos de litio formen picos y ramas microscópicas que, si entran en contacto, pueden provocar un cortocircuito.

La inclusión de electrolito en una batería de litio-metal también afectará las formas que adopta esta superficie del litio, y esta es en parte la razón por la que las baterías de litio-metal todavía se consideran seguras para su uso en algunas industrias. Hasta ahora, la opinión predominante había sido que la elección del electrolito era un factor importante para determinar si el litio formaría formas gruesas, puntiagudas o columnares en la superficie del electrodo.

"Queríamos ver si podíamos depositar litio tan rápidamente que superáramos la reacción que causa la película de corrosión", dijo el estudiante de doctorado de la Universidad de California en Los Ángeles (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 que deposita litio más rápidamente que los métodos tradicionales. Al hacer pasar corriente a través de un electrodo mucho más pequeño, los investigadores pudieron impulsar efectivamente la electricidad más rápido y acelerar el proceso de deposición, de manera similar a cómo el agua empujada a través de una manguera parcialmente bloqueada sale disparada con más fuerza.

Esta técnica se utilizó para depositar litio metálico utilizando cuatro electrolitos diferentes, y la forma de los depósitos de litio se analizó mediante imágenes de microscopía crioelectrónica (crio-EM). Las formas observadas se compararon con muestras adicionales realizadas en condiciones similares, pero utilizando la técnica de deposición más tradicional.

Se descubrió que la nueva técnica de deposición ultrarrápida era tan rápida que superó la corrosión natural del litio.

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Con la corrosión, el litio formó cuatro formas microscópicas distintas. Pero utilizando el proceso ultrarrápido libre de corrosión, el litio siempre formaba formas de dodecaedro a microescala en la superficie del electrodo. Los investigadores dicen que esto probablemente refleja la forma "verdadera" del litio, en los casos en que no se permite que se corroa.

"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 y profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA.

“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”, añadió Li.

El descubrimiento de esta forma "verdadera" del litio podría significar grandes cosas para la ciencia de las baterías. Si este conocimiento se puede utilizar para preparar baterías de litio-metal más seguras que no tengan el mismo riesgo de cortocircuito estructural, entonces podrían representar una mejora significativa con respecto al conjunto actual de baterías de iones de litio.

"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?"

Referencia: Yuan X, Liu B, Mecklenburg M, Li Y. Deposición ultrarrápida de poliedros de litio facetados superando la formación de SEI. Naturaleza. 2023;620(7972):86-91. doi: 10.1038/s41586-023-06235-w

Este artículo es una revisión de un comunicado de prensa emitido por el Instituto NanoSystems de California. El material ha sido editado en cuanto a extensión y contenido.