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Nanoflores de titanato de litio (Laboratorio Nacional Brookhaven)

El principio de funcionamiento de las baterías de litio es que durante la carga, los iones de litio se mueven entre el electrodo positivo (cátodo) y el electrodo negativo (ánodo); durante la descarga, los iones de litio se mueven en la dirección opuesta. Hoy en día, las baterías de litio que se utilizan en teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y vehículos eléctricos suelen utilizar ánodos de grafito. Durante la carga, los iones de litio se insertarán en el ánodo de grafito; cuando se utiliza la batería, los iones de litio se eliminarán de la batería.

Aunque el grafito puede soportar cientos o incluso miles de ciclos de carga y descarga, no puede almacenar suficiente capacidad para aplicaciones que consumen mucha energía. Por ejemplo, la autonomía de los vehículos eléctricos no es lo suficientemente larga. Además, el grafito no puede cargarse y descargarse a una velocidad (potencia) elevada. Por ello, los científicos han estado buscando materiales alternativos para los ánodos.

El titanato de litio (LTO) es un material prometedor para ánodos compuesto de litio, titanio y oxígeno. Además de poder cargarse y descargarse a altas velocidades, el LTO también tiene una buena estabilidad cíclica y espacio suficiente para alojar iones de litio (con una gran capacidad). Sin embargo, la mala conductividad del LTO puede provocar una velocidad de difusión lenta de los iones de litio en el material.

Según informes de medios extranjeros, Amy Marschilok, profesora a tiempo parcial y profesora asociada de química en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad de Stony Brook, afirmó que la capacidad disponible de LTO puro es moderada, pero no puede transmitir electricidad rápidamente. Amy Marschilok también se desempeña como subdirectora del Centro de Propiedades de Transporte a Mesoescala, así como directora de la División de Almacenamiento de Energía y científica en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, un departamento interdisciplinario del Departamento de Energía de los EE. UU. También afirmó que los materiales de batería de alta velocidad son muy atractivos para aplicaciones como vehículos eléctricos, herramientas eléctricas portátiles y sistemas de energía de emergencia que requieren un almacenamiento rápido de energía en unos pocos minutos.

Marschilok también es miembro del equipo Stony Creek del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que ha estado colaborando en la investigación de LTO desde 2014. En una investigación reciente, el equipo agregó cloro a LTO a través de un proceso de dopaje, aumentando así su capacidad en 12%.

Stanislaus Wong, un destacado profesor del Departamento de Química de la Universidad de Shixi y un importante investigador del equipo de investigación de estudiantes, afirmó que los procesos de dopaje controlados pueden alterar las propiedades electrónicas y estructurales de los materiales. En mi equipo, estamos interesados en utilizar el conocimiento químico para guiar el diseño de correlaciones favorables entre las propiedades estructurales. En cuanto al LTO, la adición de átomos dopados puede mejorar su conductividad, expandir su red y ensanchar el canal de transporte de iones de litio. Los científicos han probado muchos tipos diferentes de dopantes, pero no han estudiado mucho el cloro.

Para fabricar LTO dopado con cloro, el equipo utilizó un método de solución llamado síntesis hidrotermal. Durante el proceso de síntesis hidrotermal, los científicos añadieron una solución que contenía el precursor relevante (el material de reacción utilizado para producir el producto deseado) al agua, colocaron la mezcla en un recipiente sellado y la dejaron a una temperatura y presión relativamente moderadas durante un período de tiempo. En este caso, para ampliar la escala experimental, los científicos eligieron precursores de titanio líquido en lugar de la lámina de titanio sólido utilizada en reacciones anteriores. Después de la síntesis hidrotermal de LTO puro y LTO dopado con cloro durante 36 horas, los científicos emplearon pasos de tratamiento químico adicionales para separar los materiales necesarios. El equipo también realizó estudios de imágenes utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM) en la instalación de microscopía electrónica del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, y descubrió que ambas muestras tenían nanoestructuras en forma de flor, lo que indica que el proceso de tratamiento químico no dañó la estructura original de los materiales.

Wong afirmó que nuestro nuevo método de síntesis promueve reacciones rápidas, uniformes y eficientes, lo que permite la producción a gran escala de estas nanoflores tridimensionales. Esta arquitectura única tiene una gran superficie, con pétalos que irradian hacia afuera desde el centro, lo que proporciona múltiples vías para que los iones de litio ingresen al material.

Al cambiar las concentraciones de cloro, litio y precursores, la pureza de los precursores y el tiempo de reacción, los científicos encontraron las condiciones óptimas para crear nanomateriales de alto cristal. Los científicos realizaron varias pruebas electroquímicas utilizando muestras optimizadas y descubrieron que cuando la batería se descargó a un ritmo alto durante 30 minutos, el LTO dopado con cloro tenía una gran capacidad disponible y este rendimiento se mantuvo después de más de 100 ciclos de carga y descarga.

Para entender por qué se puede mejorar el rendimiento, el equipo utilizó la teoría computacional para modelar los cambios estructurales y electrónicos provocados por la adición de cloro. Al calcular la estructura geométrica más estable del LTO dopado con cloro, el equipo descubrió que el cloro prefiere reemplazar la posición del oxígeno en la estructura del LTO.

A continuación, el equipo investigará cómo la forma de las nanoflores 3D afecta el transporte de iones de litio. Además, también están explorando materiales alternativos para ánodos y cátodos a nivel atómico para mejorar el transporte de iones de litio.