Las baterías alimentan todo, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, y su rendimiento depende de la interfaz crítica entre el electrodo y el electrolito.Penn State y los investigadores de la industria han desarrollado un método para observar esta interfaz a una resolución más alta, lo que potencialmente podría revelar nuevas formas de mejorar la eficiencia y la vida útil de la batería.

Ellospublicadosus resultados en elRevista de la Sociedad Química Estadounidense.

Un electrodo es un conductor, como una varilla o placa de metal, que actúa como una especie de puerta de entrada que permite que la electricidad entre y salga de la batería.Hay dos tipos en una batería: ánodos, que son electrodos negativos, y cátodos, que son positivos.Los electrolitos son el medio líquido que conduceionesentre el ánodo y el cátodo, permitiendo el flujo de corriente eléctrica.

El electrodoâelectrólitoLa interfaz es el límite donde se encuentran el electrodo sólido y el electrolito líquido.Esta interfaz desempeña un papel fundamental en el rendimiento de las baterías al influir en cómo los iones y las moléculas de disolvente se acumulan, agotan y transfieren cargas.

Comprender el comportamiento de esta interfaz, en particular la doble capa eléctrica (EDL), es esencial para diseñar baterías más eficientes y duraderas, según Jianwei Lai, asistente de investigación graduado en ingeniería energética y mineral y primer autor del estudio.

"La EDL gobierna la migración de iones y la transferencia de electrones que permiten reacciones electroquímicas en las baterías", dijo Lai."Es por eso que estudiar la doble capa es una prioridad absoluta: puede afectar directamente el rendimiento de la batería".

El desafío, sin embargo, es que esta doble capa de electrodo y electrolito existe en una escala ultrapequeña y es altamente dinámica, cambiando de estructura dependiendo del voltaje aplicado.A medida que cambia el voltaje, cambia la disposición de los iones y moléculas en la capa.

Los cambios en la capa de electrodo y electrolito pueden hacer que una batería sea menos eficiente, reducir su almacenamiento de energía y acortar su vida útil, como cuando los iones se atascan en los lugares equivocados, lo que ralentiza el flujo fluido de electricidad, de forma similar a como los atascos de tráfico ralentizan a los coches.en una carretera.

"La EDL está alrededor de la escala nanométrica, por lo que es muy difícil de caracterizar", explicó Lai."Y la estructura no es estática, depende en gran medida de la carga aplicada, lo que hace que sea muy difícil estudiarla directamente".

En el pasado, los científicos utilizaron modelos teóricos para comprender la estructura de la EDL.Los métodos de medición convencionales, como la voltamperometría, la electrocapilaridad tradicional y la espectroscopia de impedancia electroquímica, pueden proporcionar pistas indirectas, pero imprecisas.Esto es especialmente problemático, dijo Lai, para los sistemas más complicados de las baterías actuales, que incluyen soluciones salinas complejas para ayudar a la batería a almacenar y liberar más energía.

Para superar estos obstáculos, Lai y el equipo desarrollaron una versión nueva y mejorada de electrocapilaridad.Esta técnica mide cómo cambia la tensión superficial de la interfaz cuando se aplica un voltaje.

El nuevo enfoque de los investigadores utiliza sensores y equipos avanzados para capturar cambios rápidos en la interfaz electrodo-electrolito.También desarrollaron nuevos métodos analíticos para evaluar no sólo la situación generaltensión interfacialsino también la distribución específica de iones y variaciones potenciales en la interfaz, proporcionando una comprensión más clara y detallada del rendimiento de la batería.

Con estas mediciones, dijo Lai, pueden mapear la estructura de doble capa y el perfil potencial con un detalle sin precedentes.

"En comparación con los métodos tradicionales, nuestro enfoque de alta resolución mejora la resolución de los datos entre 50 y 100 veces", afirmó Lai."Podemos trazar cómo se ve la doble capa en cada voltaje o potencial individual. Esta naturaleza dinámica es algo que los métodos tradicionales simplemente no podían capturar".

Los investigadores utilizaron su técnica avanzada para explorar electrolitos de baterías de zinc, una opción cada vez más popular para la producción de baterías porque son seguros y económicos.Sin embargo, descubrir cómo interactúa la superficie del electrolito con el electrodo (y cómo se mueven los iones a través de esta superficie) ha sido difícil, dijo Lai.

La forma en que los iones se mueven en la superficie afecta la eficiencia del funcionamiento de la batería, por lo que comprender esta interacción podría proporcionar información para desarrollar mejores baterías.Con su nueva técnica, el equipo descubrió que se acumulan más iones de zinc en la doble capa, lo que hace que las baterías se carguen más rápido y de manera más eficiente.

Su análisis reveló que los iones de zinc son guiados a la posición correcta por los iones de cloruro, que se adhieren estrechamente a la superficie del electrodo, lo que ayuda a guiar más iones de zinc al lugar correcto.

"Esta estrategia acelera la carga y hace que las baterías sean más eficientes al ayudar a que los iones de zinc se muevan más rápido durante la carga y descarga", dijo Lai."Ahora podemos ver cuán única es esta disposición y cómo mejora el rendimiento general, haciendo que las baterías sean más efectivas y confiables".

Según Lai, al tener una visión más clara de cómo funcionan juntas estas partes de la batería, los científicos pueden medir y capturar mejor las pequeñas interacciones entre el electrodo y el electrolito, lo que les permite comprender por qué ciertos componentes del electrolito o diseños de iones podrían mejorar.bateríaactuación.Básicamente, la técnica puede servir como plataforma universal para comprender por qué el electrolito funciona mejor, lo que puede guiar el diseño de baterías más eficientes en el futuro.

"Comprender esta interfaz crítica es esencial para ayudarnos a diseñar electrolitos mejores, más eficientes y confiables para el almacenamiento de energía", dijo Lai.

"Si conocemos tanto la constitución individual de los iones como el perfil potencial interfacial, entonces podremos entender realmente cómo está estructurada la interfaz. Esto es algo que nunca fue posible con las técnicas tradicionales".

Armado con este nivel de conocimiento sin precedentes, Lai dijo que cree que pueden impulsar avances significativos en la ingeniería de electrolitos y, a su vez, desarrollar las baterías mejoradas que exigirá la futura tecnología impulsada por energía limpia.

"La modernización de la electrocapilaridad representa un importante avance en el campo de la electroquímica", afirmó Lai."Al proporcionar un método directo y preciso para estudiar laelectrodoâelectrolitointerfaz, esta técnica permitirá a los investigadores comprender y optimizar mejor los procesos críticos que ocurren dentro de las baterías.

"A medida que la demanda de baterías de alto rendimiento continúa creciendo, esta investigación desempeñará un papel crucial para impulsar la innovación y mejorar laalmacenamiento de energíasoluciones del futuro."