Las pruebas de rayos X convierten el papel del material de la batería del cátodo al catalizador

Las pruebas de rayos X convierten el papel del material de la batería del cátodo al catalizador

Ilustración de una batería de Li-CO2 con Li2MnO3 como catalizador eficaz. Crédito: Berkeley Lab

Un equipo internacional que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de EE. UU. (Berkeley Lab) del Departamento de Energía utilizó un instrumento de rayos X único para aprender cosas nuevas sobre los materiales de las baterías ricas en litio, que han sido objeto de muchas investigaciones sobre la capacidad de expansión. vehículos eléctricos y manipulación de dispositivos electrónicos.

Los científicos centraron su investigación en un material llamado óxido de litio y manganeso (Li2MnO3), un ejemplo extremo de los llamados materiales “ricos en litio” que contienen la mayor cantidad posible de litio en esta familia de materiales. Regla desarrollada recientemente batería es que los electrodos de batería compuestos de materiales ricos en litio pueden proporcionar un funcionamiento de alto voltaje y alta capacitancia porque el oxígeno en el material participa en reacciones químicas reversibles “redox” en las que átomos de oxígeno perdiendo y ganando electrones cíclicamente, por lo que la batería tiene más capacidad para almacenar y utilizar la carga eléctrica.

Este trabajo, sin embargo, mostró que las reacciones reversibles no involucran realmente el oxígeno en Li2MnO3 mientras funciona con batería. En cambio, un análisis más detallado de otro elemento del material, el manganeso, reveló que la razón por la que el material podía reciclarse era la notable y completa transición a reacciones basadas en manganeso con una capacidad relativamente baja justo después de la primera carga. Este descubrimiento abre el camino a la exploración de materiales de electrodos de alta energía fuera de la familia rica en litio.

Además, el equipo de investigación se sorprendió particularmente al ver la formación y desaparición “parcialmente reversible” de compuestos de carbonato de la superficie del material. Estas propiedades superficiales altamente reactivas sugieren que el material puede actuar como catalizador y puede facilitar las reacciones químicas reversibles requeridas en las baterías exóticas de próxima generación, como las baterías de litio-aire y de dióxido de litio. Compuestos de carbonato observados en la superficie de Li2MnO3 contienen carbono unido a átomos de oxígeno, lo que significa que los materiales ricos en litio pueden ser catalizadores efectivos para reacciones que involucran gas dióxido de carbono.

“Todos sentimos que es emocionante que a través del estudio espectroscópico fundamental de este material, no solo aclaramos el mecanismo de reacción de este material tan debatido, sino que también descubrimos un uso conceptualmente diferente como catalizador”, dijo Wanli Yang, senior científico de Advanced Light Source (ALS) en Berkeley Lab, quien adaptó una técnica llamada dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) para este tipo de prueba de batería. También fue coautor del estudio, trabajando como parte de una gran colaboración internacional. El estudio fue publicado el 4 de marzo en la revista Joule.

Las pruebas de rayos X convierten el papel del material de la batería del cátodo al catalizador

Wanli Yang, científico senior de Advanced Light Source en Berkeley Lab, trabajando en el sistema de dispersión de rayos X inelásticos resonantes (RIXS). Yang adaptó la técnica RIXS al reciente estudio de Joule sobre materiales de batería ricos en litio. Crédito: Berkeley Lab

“Algunos hallazgos indican que este material es más adecuado como catalizador debido a su superficie altamente reactiva. Es por eso que nuestros compañeros de trabajo en materiales de batería lo probaron como catalizador y descubrieron que, de hecho, tiene un rendimiento excelente con baterías de dióxido de litio y litio-aire “. añadió.

Los investigadores observaron en el estudio que el ciclo de carbonato de alto rendimiento basado en Li2MnO3Catalizador tiene una excelente reversibilidad en comparación con sistemas similares con catalizadores convencionales basados ​​en óxidos. Los resultados también abren la puerta a toda una clase de materiales ricos en álcalis para su uso como catalizadores en otras aplicaciones, como las pilas de combustible.

La clave del estudio fue una línea de luz especializada en ALS, que esencialmente puede dividir las reacciones químicas un elemento a la vez para descubrir cuáles están, y cuáles no, involucrados en las reacciones. ALS es un sincrotrón que puede producir luz de diferentes ‘colores’ o longitudes de onda, desde infrarrojos hasta rayos X.

Los científicos utilizaron RIXS para mapear la composición química de las muestras en diferentes etapas del ciclo de carga y descarga. No encontraron evidencia de las reacciones reversibles de oxidación de oxígeno esperadas por muchos científicos para este material. En cambio, encontraron que el oxígeno solo participa en una reacción de oxidación unidireccional y en reacciones superficiales altamente activas.

Yang señaló que el estudio refuta varios modelos populares para comprender la actividad redox del oxígeno. electrodos de batería, pero abre un nuevo pensamiento sobre los tipos de materiales baratos que pueden utilizar reacciones redox de oxígeno, ya que los científicos han descubierto que el comportamiento de las reacciones redox de oxígeno en electrodos ricos en litio es en realidad el mismo que el de los electrodos convencionales que se utilizan en la actualidad. Uso oxígeno la reacción redox tiene el potencial de permitir el funcionamiento de baterías de alta capacidad y alto voltaje.


Cómo los materiales de cátodos ricos en litio para baterías de vehículos eléctricos de alta energía almacenan cargas de alto voltaje (actualización)

Más información:
Zengqing Zhuo et al., Mecanismo de ciclo de Li2MnO3: Li – CO2 acumuladores y comunidades de oxígeno redox en materiales catódicos, Joule (2021). DOI: 10.1016 / j.joule.2021.02.004

Información de la revista:
Joule

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