Sincrotró ALBA
El nou treball publicat a Nature Materials demostra que una nova classe de materials, els halurs de metalls de transició, es poden usar com a elèctrodes de bateries de ió-liti mitjançant l’ús d’electròlits superconcentrats en lloc d’electròlits regulars diluïts. L’estudi està dirigit pel Collège de France i s’ha emprat la línia de llum MSPD d’ALBA per monitoritzar l’evolució de les estructures d’halurs metàl·lics en ciclar en una bateria, punt crucial per l’estudi.
Passar d’electròlits diluïts a superconcentrats redueix dràsticament la solubilitat dels halurs en capes i obre el camí a una nova química d’intercalació electroquímica.
Cerdanyola del Vallès, 30 juliol 2021
No és cap sorpresa que el camp de recerca de les bateries estigui tenint una atenció considerable en els darrers anys i que s’estiguin realitzant grans esforços per comprendre i dissenyar bateries amb millors prestacions. Molts dels nostres dispositius electrònics actuals (ordinadors portàtils, tauletes, mòbils, etc.) i també els cotxes elèctrics depenen de l’ús de bateries de ió-liti. Així doncs, la carrera per aconseguir bateries que es puguin carregar en menys temps o que puguin emmagatzemar més energia fa temps que ha començat.
Nascudes a principis de la dècada dels 90, les bateries de ió-liti es carreguen i descarreguen quan els ions de liti es mouen cap endavant i cap enrere entre l’elèctrode negatiu (ànode) i positiu (càtode) dins la bateria. El material del càtode és un dels components més importants per determinar les propietats de la bateria.
Fins ara, materials com els òxids, sulfurs o compostos polianiònics eren els càtodes escollits en les bateries de ió-liti degut a la seva bona estabilitat en els clàssics electròlits orgànics diluïts. “La troballa del nostre estudi obre el camí cap a una nova química de intercalació que es basa en halurs de metalls de transició fins ara inexplorats degut a la seva relativa solubilitat”, comenta Nicolas Dubouis, científic del Collège de France.
L’equip de recerca ha provat que els halurs de metalls de transició es poden fer servir com a elèctrodes de bateries de ió-liti mitjançant l’ús d’electròlits superconcentrats enlloc d’electròlits regulars diluïts.
Si bé els materials presentats en l’article de Nature Materials són una prova de concepte amb un rendiment cíclic limitat, la química dels halurs és vasta i els materials d’halurs d’alta densitat d’energia ara es poden imaginar com a càtodes de bateries de ió-liti, ja sigui com a compostos d’intercalació o conversió.
L’estudi ha estat liderat per científics del Collège of France, la Sorbonne Université, el Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’Energie (RS2E) i el CNRS-CEMHTI en col·laboració amb la University of Sydney i la Australian Nuclear Science and Technology Organisation.
Per l’anàlisi, s’han fet experiments al Sincrotró ALBA utilitzant la tècnica de difracció de raigs X a la línia de llum MSPD i així monitoritzar l’evolució de les estructures d’halurs de vanadi al ciclar en una bateria. Per fer-ho, l’equip d’investigació va acoblar bateries de liti utilitzant els materials d’interès com a elèctrodes, en dispositius de “cel·la de moneda” (similars a les petites bateries comercials). Aquestes cel·les estaven equipades amb una finestra transparent que permet la transmissió del feix de llum de sincrotró a través de tota la cel·la i sondejar l’estructura del material a temps real durant el funcionament de la bateria.
“La intensitat de la llum de sincrotró utilitzada en els experiments de difracció ha sigut crucial per adquirir dades d’alta resolució en molt poc temps i ajudar a caracteritzar amb molta precisió el mecanisme de reacció del material de l’elèctrode en ciclar”, senyala Dubouis. Aquests experiments a ALBA van confirmar que els halurs de vanadi poden usar-se per intercalar de forma reversible ions de liti quan es combinen amb electròlits superconcentrats.
A més, els nous descobriments obren una nova ruta sintètica per dissenyar materials amb propietats físiques ajustables, com s’il·lustra en un article de seguiment recentment acceptat a Physical Review B amb François Fauth (responsable de la línia MSPD) com a coautor, descrivint les propietats magnètiques dels halurs de vanadi litiats.
Referència: Dubouis, N., Marchandier, T., Rousse, G. et al. Extending insertion electrochemistry to soluble layered halides with superconcentrated electrolytes. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01060-w
Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.