Revelada por primera vez la verdadera forma del litio

La Universidad de California Los Ángeles (UCLA) ha revelado un hallazgo fundamental para producir baterías de metal de litio más seguras que superan a las de iones de litio actuales.

El litio metálico reacciona tan fácilmente con los productos químicos que, en condiciones normales, la corrosión se forma casi inmediatamente mientras el metal se deposita sobre una superficie como un electrodo.

Pero los investigadores de la UCLA desarrollaron una técnica que evita esa corrosión y demostraron que, en su ausencia, los átomos de litio se ensamblan en una forma sorprendente: el dodecaedro rómbico, una figura de 12 lados similar a los dados que se usan en juegos de rol como Dragones y Mazmorras. La investigación fue publicadaen la revista Nature.

"Hay miles de artículos sobre el litio metálico, y la mayoría de las descripciones de la estructura son cualitativas, como 'grueso' o 'en forma de columna'", dijo en un comunicado Yuzhang Li, autor correspondiente del estudio, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA y miembro de CNSI.

"Fue sorprendente para nosotros descubrir que cuando evitamos la corrosión de la superficie, en lugar de estas formas mal definidas, vimos un poliedro singular que coincide con las predicciones teóricas basadas en la estructura cristalina del metal. En última instancia, este estudio nos permite revisar cómo entendemos baterías de metal de litio".

A escalas diminutas, una batería de iones de litio almacena átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo. Por el contrario, una batería de metal de litio recubre el electrodo con litio metálico. Eso empaqueta 10 veces más litio en el mismo espacio en comparación con las baterías de iones de litio, lo que explica el aumento tanto en el rendimiento como en el peligro.

La Universidad de California Los Ángeles (UCLA) ha revelado un hallazgo fundamental para producir baterías de metal de litio más seguras que superan a las de iones de litio actuales.

El litio metálico reacciona tan fácilmente con los productos químicos que, en condiciones normales, la corrosión se forma casi inmediatamente mientras el metal se deposita sobre una superficie como un electrodo.

Pero los investigadores de la UCLA desarrollaron una técnica que evita esa corrosión y demostraron que, en su ausencia, los átomos de litio se ensamblan en una forma sorprendente: el dodecaedro rómbico, una figura de 12 lados similar a los dados que se usan en juegos de rol como Dragones y Mazmorras. La investigación fue publicadaen la revista Nature.

"Hay miles de artículos sobre el litio metálico, y la mayoría de las descripciones de la estructura son cualitativas, como 'grueso' o 'en forma de columna'", dijo en un comunicado Yuzhang Li, autor correspondiente del estudio, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA y miembro de CNSI.

"Fue sorprendente para nosotros descubrir que cuando evitamos la corrosión de la superficie, en lugar de estas formas mal definidas, vimos un poliedro singular que coincide con las predicciones teóricas basadas en la estructura cristalina del metal. En última instancia, este estudio nos permite revisar cómo entendemos baterías de metal de litio".

A escalas diminutas, una batería de iones de litio almacena átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo. Por el contrario, una batería de metal de litio recubre el electrodo con litio metálico. Eso empaqueta 10 veces más litio en el mismo espacio en comparación con las baterías de iones de litio, lo que explica el aumento tanto en el rendimiento como en el peligro.

"Queríamos ver si podíamos depositar litio tan rápido que superáramos la reacción que causa la película de corrosión", dijo el estudiante de doctorado de UCLA Xintong Yuan, el primer autor del estudio. "De esa manera, podríamos ver potencialmente cómo el litio quiere crecer en ausencia de esa película".

Los investigadores desarrollaron una nueva técnica para depositar litio más rápido que las formas de corrosión. Pasaron corriente a través de un electrodo mucho más pequeño para expulsar la electricidad más rápido, de forma muy similar a la forma en que el bloqueo parcial de la boquilla de una manguera de jardín hace que el agua salga disparada con más fuerza.

Sin embargo, se requería un equilibrio, porque acelerar demasiado el proceso conduciría a las mismas estructuras puntiagudas que causan los cortocircuitos; el equipo abordó ese problema ajustando la forma de su pequeño electrodo.

Colocaron litio en superficies usando cuatro electrolitos diferentes, comparando los resultados entre una técnica estándar y su nuevo método. Con la corrosión, el litio formó cuatro formas microscópicas distintas. Sin embargo, con su proceso libre de corrosión, encontraron que el litio formaba dodecaedros minúsculos, no más grandes que 2 millonésimas de metro, o aproximadamente la longitud promedio de una sola bacteria, en los cuatro casos.

Los investigadores pudieron ver la forma del litio gracias a una técnica de imagen llamada microscopía crioelectrónica, o crio-EM, que emite electrones a través de muestras congeladas para mostrar detalles hasta el nivel atómico mientras inhibe el daño a las muestras.