Alto rendimiento en condiciones de heladas
Materiales con dilatación térmica negativa como electrodos para baterías de iones de litio
La mayoría de los sólidos se dilatan al aumentar la temperatura y se encogen al enfriarse. Algunos materiales hacen lo contrario y se expanden con el frío. El fosfato de litio y titanio es uno de ellos y podría solucionar el problema del acusado descenso del rendimiento de las baterías de iones de litio en ambientes fríos. En la revista Angewandte Chemie, un equipo chino ha demostrado su idoneidad para el uso en electrodos de baterías recargables.
Las baterías de iones de litio y otras baterías recargables basadas en iones metálicos proporcionan electricidad a nuestros dispositivos portátiles, propulsan vehículos y almacenan energía solar y eólica. Funcionan bien siempre que haga calor. Al bajar la temperatura, el rendimiento de estas baterías puede disminuir bruscamente, un problema para los coches eléctricos, la industria aeroespacial y las aplicaciones militares. Las contramedidas, como calentadores integrados, electrolitos mejorados o revestimientos de los electrodos, aumentan el coste y la complejidad de la producción de baterías o reducen su rendimiento.
Una de las causas del problema del frío es la lenta difusión de los iones de litio dentro del material del electrodo. Un equipo de las Universidades de Donghua y Fudan de Shanghai, así como de la Universidad de Mongolia Interior de Hohhot, ha propuesto un nuevo enfoque para atajar este problema: electrodos fabricados con materiales electroquímicos de almacenamiento de energía con expansión térmica negativa (NTE), como el fosfato de titanio y litio LiTi2(PO4)3 (LTP). Dirigido por Liming Wu, Chunfu Lin y Renchao Che, el equipo utilizó el LTP como sustancia modelo para demostrar que los materiales de electrodos con propiedades NTE pueden ofrecer un buen rendimiento a bajas temperaturas.
El análisis de la estructura cristalina reveló una red tridimensional de octaedros de TiO6 y tetraedros de PO4 con una estructura abierta y flexible que contiene tanto "cavidades" como "canales", donde pueden alojarse los iones de litio. Cuando se enfría, la estructura se estira a lo largo de uno de sus ejes cristalinos. Mediante análisis espectrométricos y microscópicos de electrones, junto con modelos informáticos, el equipo determinó que los modos vibracionales de los átomos cambian a baja temperatura. Esto incrementa la aparición de vibraciones transversales especiales de ciertos átomos de oxígeno, aumentando sus distancias entre sí y ensanchando las cavidades de la red. Esto facilita el almacenamiento y el transporte de los iones de litio. A -10 °C, su velocidad de difusión se mantiene en el 84% del valor obtenido a 25 °C. Las pruebas electroquímicas realizadas con LTP recubiertas de carbono a -10 °C también mostraron un buen rendimiento electroquímico, con una alta capacidad y una elevada tasa de capacidad, así como una alta retención de la capacidad a lo largo de 1000 ciclos de carga/descarga.
Los materiales con expansión térmica negativa son, por tanto, muy prometedores para su uso como material de electrodos en baterías de iones de litio en ambientes fríos.
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