Desde su descubrimiento hace 15 años, el litio-ferro-fosfato (LiFePO4 – lithium iron phosphate) se ha convertido en uno de los materiales más prometedores para baterías recargables debido a su estabilidad, su durabilidad, su seguridad y su habilidad para entregar mucha energía a la vez. Ha sido el enfoque de grandes proyectos de investigación alrededor del mundo, y una de las tecnologías lider usadas en todo, desde herramientas inalámbricas a vehículos eléctricos. Pero a pesar de este amplio interés, la razón de las inusuales características de carga y desgarga del litio-ferro-fosfato no habían sido aclaradas.
Por David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
Dentro de una partícula de litio-ferro-fosfato, el material se separa en bandas que son ya sea ricas en litio o pobres en litio. Pero cuando se cargan con un nivel de corriente lo suficientemente alto, esta separación nunca ocurre, encontró un equipo del MIT.
Ahora, una investigación por el profesor asociado de ingeniería química y de matemáticas del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) Martin Z. Bazant ha provisto nuevos resultados sorprendentes mostrando que el material se comporta muy diferente de lo que se pensaba, ayudando a explicar su rendimiento y posiblemente abriendo la puerta al descubrimiento de materiales de baterías aún más efectivos.
El nuevo conocimiento del comportamiento del litio-ferro-fosfato es detallado en una revista académica que aparecerá esta semana en el diario ASC Nano, escrito por Bazant y el postdoctorado Daniel Cogswell. La revista académica es una extensión de la investigación que reportaron a finales del año pasado en el diario Nano Letters.
Cuando fue descubierto por primera vez, el litio-ferro-fosfato fue considerado útil solo para aplicaciones de poca energía. Desarrollos posteriores mostraron que su capacidad de almacenar energía podría ser dramáticamente aumentado usándolo en forma de nanoparticulas, un acercamiento que lo convirtió en uno de los mejores materiales conocidos para aplicaciones que requieren de mucha energía.
Pero las razones de porqué las nanopartículas de LiFePO4 funcionaban tan bien eran elusivas. Se creía que mientras era cargado o descargado, el material se separaba en diferentes fases con concentraciones muy diferentes de litio; esta separación de fases, se creía, limitaba la capacidad de energía del material. Pero esta nueva investigación mostró qué, bajo muchas condiciones en el mundo real, esta separación nunca ocurre.
Dentro de una partícula de litio-ferro-fosfato, el material se separa en bandas que son ya sea ricas en litio o pobres en litio. Pero cuando se cargan con un nivel de corriente lo suficientemente alto, esta separación nunca ocurre, encontró un equipo del MIT. Ver más videos
La teoría de Bazant predice que por encima de cierta corriente crítica, la reacción es tan rápida que la batería pierde su tendencia para separarse en fases como ocurre con bajos niveles de energía. Justo por debajo de la corriente crítica, el material pasa a través de un estado de “solución casi sólida”, donde “no tiene tiempo de completar la separación de fases”, dijo. Estas características ayudan a explicar por que este material es tan bueno para baterías recargables, dijo.
Este descubrimiento resultó de una combinación de análisis teórico, modelado de computadoras y experimentos de laboratorio, explico Bazant – un acercamiento multi-disciplinario que refleja su posición en los departamentos de ingeniería química y matemáticas en el MIT.
Análisis previos de este material han examinado su comportamiento en un solo punto en el tiempo, ignorando la dinámica de su comportamiento. Pero Bazant y Cogswell estudiaron como el material cambia mientras está en uso, ya sea cuando la batería se está cargando o descargando – y sus propiedades cambiantes sobre el tiempo resultaron ser cruciales para el entendimiento de su rendimiento.
“Esto no había sido hecho antes”, dijo Bazant. Lo que encontraron, agrega, es un fenómeno completamente nuevo, y uno que podría ser importante para entender el rendimiento de muchos materiales de baterías – lo que significa que este trabajo podría ser significativo aún si el fosfato férrico de litio termina siendo abandonado en favor de otros materiales nuevos.
Investigadores han pensado que el litio se empapa gradualmente en partículas que entran del exterior, produciendo un encogimiento del núcleo de material pobre en litio en el centro. Lo que encontró el MIT fue muy diferente: A bajas corrientes, el sitios forma bandas paralelas rectas de material enriquecido dentro de cada partícula, y las bandas viajan a través de las partículas conforme se cargan. Pero a niveles altos de corriente eléctrica, no hay separación, ni en bandas ni en capas; en su lugar, cada partícula se empapa de litio a la vez, transformándose casi instantáneamente de pobre en litio a rica en litio.
El nuevo descubrimiento ayuda también a explicar la durabilidad del litio-ferro-fosfato. Donde hay bandas de diferentes fases presentes, las separaciones entre esas bandas son una fuente de estrés que puede causar agrietamiento y una degradación gradual en su rendimiento. Pero cuando todo el material se carga a la vez, no hay separaciones y hay menos degradación.
Eso es un encuentro inusual, dice Bazant: “Usualmente, si estás haciendo algo más rápido, haces más daño, pero en este caso es lo opuesto”. De forma similar, el y Cogswell predijeron que operando a una temperatura ligeramente más alta haría durar más tiempo al material, lo que es contrario al comportamiento típico de materiales.
Adicionalmente a ver cómo el material cambia sobre el tiempo, entendiendo como funciona involucró mirar el material a escalas que otros no habían examinado: Mientras que muchos análisis han sido realizados al nivel de átomos y moléculas, resultó ser que el fenómeno clave solo podía ser visto a la escala de las mismas nanopartículas, dijo Bazant – muchas miles de veces más grandes. “Es un efecto que depende del tamaño”, dijo.
El profesor de ciencia de materiales del MIT Gerbrand Ceder observó y escribió sobre el comportamiento del litio-ferro-fosfato a altos niveles de corriente el año pasado; ahora, el análisis teórico de Bazant podría llevar a un entendimiento más amplio no solo de este material, sino también de otros que podrían pasar por cambios similares.
Troy Farrel, un profesor asociado de matemáticas en la Universidad Tecnológica de Queensland en Australia, quien no estuvo involucrado en este trabajo, dijo que estos descubrimientos son de gran significado para aquellos que investigan las baterías de litio. Agregó que este nuevo entendimiento “le permite a los científicos de materiales desarrollar nuevas estructuras y compuestos que finalmente lleven a baterías con una mayor duración de vida y una mayor densidad de energía. Esto es requerido si la tecnología de las baterías será utilizada en aplicaciones que demanden mucha energía como vehículos eléctricos”.
Entendiendo por que el litio-ferro-fosfato trabaja tan bien fue “uno de los retos científicos más interesantes que he encontrado”, dijo Bazant. “Tomó cinco años averiguar esto”.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Imagen
Las regiones ricas en litio y pobres en litio tienden a formar bandas dentro de partículas de fosfato férrico de litio. Imagen: Laboratorio Bazant
Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)