Potencia de espuma de estaño innovación de electrodo de batería nueva

Los electrodos a base de metal en baterías de iones de litio prometen capacidades significativamente más altas que los electrodos de grafito convencionales. Desafortunadamente, se degradan debido al estrés mecánico durante los ciclos de carga y descarga. Un equipo de HZB ha demostrado que una espuma de estaño altamente porosa es mucho mejor para absorber el estrés mecánico durante los ciclos de carga. Esto hace que la espuma de estaño sea un material interesante para las baterías de litio.

Moderno baterías de iones de litio se basan típicamente en un grafito multicapa electrodocon el contraelectrodo a menudo hecho de óxido de cobalto. Durante la carga y la descarga, los iones de litio migran al grafito sin causar cambios de volumen significativos en el material. Sin embargo, la capacidad del grafito es limitada, lo que hace que la búsqueda de materiales alternativos sea un área de investigación emocionante.

Los electrodos a base de metal, como el aluminio o el estaño, tienen el potencial de ofrecer una mayor capacidad. Sin embargo, tienden a expandirse significativamente en el volumen cuando se absorbe el litio, que se asocia con cambios estructurales y fatiga del material.

El estaño es particularmente atractivo porque su capacidad por kilogramo es casi tres veces mayor que el grafito, y no es una materia prima rara, pero está disponible en abundancia. Una opción para realizar electrodos de metal que “fatiga” menos rápidamente implica nanoestructurar las alumetas de metal delgadas. Otra opción es usar espuma de metal poroso.

Un equipo del Helmholtz-Zentrum Berlín (HZB) ahora ha estudiado varios tipos de electrodos de estaño durante el proceso de descarga y carga utilizando imágenes de rayos X operando, y ha desarrollado un enfoque innovador para abordar este problema. Parte de los experimentos se llevaron a cabo en la línea de Bamsy en Bessy II. Las imágenes de rayos X radiocópicos de alta resolución se tomaron en colaboración con los expertos en imágenes Dr. Nikolai Kardjilov y el Dr. André Hilger en HZB.

“Esto nos permitió rastrear los cambios estructurales en los electrodos basados ​​en SN-metal investigados durante los procesos de carga/descarga”, dice el Dr. Bouchra Bouabadi, primer autor del estudio publicado en Ciencia avanzada. Con el experto en batería Dr. Sebastian Risse, exploró cómo la morfología de los electrodos de estaño cambia durante la operación debido a la absorción no homogénea de iones de litio.

El Dr. Francisco García-Moreno produjo la mejor versión del electrodo de estaño: una lata espuma con innumerables poros de tamaño micrométrico. “Pudimos demostrar que el estrés mecánico En dicha espuma de estaño durante la expansión del volumen se reduce significativamente “, dice el Dr. Risse. Esto hace que las espuma de estaño sean un material interesante para las baterías de litio.

García-Moreno ya ha estudiado numerosas espumas de metal, incluidas las utilizadas para componentes en el industria automotriz y espumas de aluminio para electrodos de batería. “Las espumas de estaño que desarrollamos en el Tu Berlín son altamente porosas y una alternativa prometedora a los materiales tradicionales de electrodos”, dice.

La estructuración de las espumas de estaño es crucial para reducir el estrés mecánico tanto como sea posible. La tecnología de espuma de estaño también podría ser atractiva desde un punto de vista económico: “Aunque la espuma de estaño es más costosa que el papel de aluminio convencional, ofrece una alternativa más barata a la nanoestructuración costosa, al tiempo que puede almacenar significativamente más iones de litio, lo que permite un aumento en la capacidad”.