Los investigadores de UCLA usaron pinzas para diseñar una batería delgada para un estudio que introdujo un nuevo método de microscopía electrónica que capturó imágenes de la batería mientras se cargaba. Crédito: Yuzhang Li/CNSI
Las baterías de litio-metal aún no han llegado al mercado, pero si lo hacen, podrían ser una solución a los problemas cotidianos del medidor de batería disminución. Son primos de las baterías de iones de litio que se encuentran en legiones de dispositivos electrónicos cotidianos, pero con el potencial de tener el doble de potencia. Desafortunadamente, el número limitado de recargas de la batería de litio-metal ha sido un obstáculo importante para su amplia adopción.
Sin embargo, un nuevo estudio dirigido por investigadores del Instituto de Nanosistemas de California en UCLA, o CNSI, podría ayudar a aumentar el ritmo del progreso. En la revista Science Advances, el equipo documentó una técnica de imagen que inventaron que, por primera vez, capta una batería de litio a medida que se carga, a un nivel de detalle más pequeño que la longitud de onda de la luz.
El método, la microscopía electrónica criogénica electrificada, o EcRyoem para abreviar, arrojaron ideas que pueden ayudar a guiar el diseño de mejores baterías de litio metal. El cultivo de este progreso con la investigación con sede en EE. UU. Podría darle a los EE. UU. Una ventaja en esta tecnología sucesora de las baterías de iones de litio, una industria actualmente dominada por las empresas chinas. El estudio también es prometedor para arrojar luz sobre los misterios en las disciplinas tan lejos como la neurociencia.
El autor correspondiente Yuzhang Li, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería de UCLA Samueli y miembro de CNSI, respondió algunas preguntas sobre el avance de su equipo.
¿Qué motivó esta investigación?
China realmente domina toda la cadena de suministro de baterías de iones de litio, con casi el 80% hecho o procesado allí. Será difícil competir, lo cual es un gran problema si queremos mover la economía de los Estados Unidos hacia tecnologías como vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a escala de red.
El metal de litio podría dar a los Estados Unidos un potencial para superar las baterías de iones de litio. En comparación con el iones de litio, el metal de litio esencialmente duplica la densidad de energía de su batería. Sin embargo, la estabilidad ciclista del metal de litio todavía no está allí.
Obtenemos miles de ciclos de carga de baterías de iones de litio, pero apenas estamos llegando a 200 con las baterías de litio de litio mejor rendimiento en la literatura de investigación. Una de las razones es que el metal de litio es extremadamente reactivo. Una capa de corrosión se forma entre el litio y el electrolito líquido en la batería, y es un gran tema de investigación.
¿Qué hace que ECRYOEM sea diferente de las técnicas anteriores en microscopía electrónica criogénica?
Las herramientas crioem para las ciencias físicas no son diferentes de las de la biología. Para las baterías, son básicamente técnicas postmortem: solo podemos capturar reacciones electroquímicas en sus estados iniciales y finales. Hay un punto ciego para lo que está sucediendo en condiciones de reacción.
En esta técnica hemos estado desarrollando en los últimos cuatro años, dijimos: “Lanzemos una batería en nitrógeno líquido mientras se carga”. Para hacer eso, tuvimos que diseñar una batería muy delgada, y tuvimos que congelarla directamente para que se congele muy rápido, en el orden de milisegundos. Tuvimos que asegurarnos de que no hubiera reacciones laterales durante ese proceso.
Frozamos baterías en varios puntos de tiempo. Cuando reunimos muchas de estas medidas en secuencia, se vuelve un poco como una animación de Flipbook donde vemos esa película de corrosión crecer con el tiempo. Y si entendemos eso, nos ayudará a diseñar mejores baterías.
¿Qué descubriste?
Comparamos dos químicas de electrolitos distintos, de alto rendimiento y bajo rendimiento. Puedes recargar uno tal vez 100 veces y el otro solo 50 veces.
La hipótesis principal ha sido que la diferencia en el rendimiento tiene algo que ver con la película de corrosión, lo que permite que los iones de litio pasen a través de la capa, pero evita que los electrones pasen. Esto evita que el electrolito reaccione continuamente con el metal de litio. El pensamiento ha sido que la difusión de electrones a través de la capa de corrosión debe ser más lenta con el electrolito de alto rendimiento, lo que significa menos corrosión.
Usando Ecryoem, trazamos el grosor de la capa de corrosión con el tiempo. En las primeras etapas, la tasa de crecimiento solo está limitada por la rapidez con que el litio puede reaccionar. Una vez que la película de corrosión se vuelve lo suficientemente gruesa, el crecimiento está limitado por la rapidez con que los electrones se difunden a través de ella.
Resulta que durante la etapa de difusión limitada, la película de corrosión crece más lento con el electrolito de alto rendimiento, pero solo en aproximadamente un 10%. Durante la etapa temprana de reacción limitada, hay una diferencia mucho mayor, por un factor de tres. Eso fue una sorpresa.
¿Cuáles son las implicaciones para el diseño de la batería de metal de litio?
En este campo, nos hemos centrado en la ingeniería de las propiedades de la capa de corrosión para limitar la difusión. Pero la principal diferencia no parece ser cómo pasan los electrones; Es cuán reactivo es el electrolito.
Los hallazgos sugieren que debemos dedicar algo de ingeniería a hacer que el electrolito líquido sea lo más inerte posible. Este no es un concepto novedoso, pero el estudio cuantifica cuán grande es la diferencia que podría marcar y resalta que este es un enfoque potencialmente prometedor.
Parece que la técnica Ecyoem en sí tiene implicaciones más amplias para las áreas desde la ingeniería hasta las ciencias de la vida.
El electrificado crioem podría ser la próxima generación de crioem para la ciencia de los materiales. Mi grupo está interesado en comprender fundamentalmente los procesos a escala molecular en aplicaciones que abarcan supercondensadores y tecnologías que convierten el dióxido de carbono en los combustibles. Tenemos fondos de la fundación privada a través de una beca Packard para explorar esto.
Sin embargo, lo que más me entusiasma es contribuir a la comunidad de biología. Una gran parte de mi carrera se ha beneficiado del crioem tradicional, que es realmente una técnica para la biología estructural.
¿Cómo estás devolviendo a la biología?
Al igual que las baterías y la electrónica, la función del cerebro se basa en la electricidad. Nuestra idea es simplemente: “Vamos a Zap una célula cerebral a varios voltajes y congelarla en ese estado dinámico”. Los cambios en la forma de una proteína que regula cómo los iones se mueven a través de la membrana celular pueden ayudarnos a comprender cómo funciona. Y si estudiamos modelos de enfermedades, podríamos generar información sobre nuevas terapias.
Los co-diricos autores del estudio son los estudiantes de doctorado de UCLA Chongzhen Wang y Jung Tae Kim. Otros coautores son Xintong Yuan, Jin Koo Kim, Bo Liu, Min-Ho Kim y Dingyi Zhao, todos de UCLA.
Más información: Chongzhen Wang et al, atrapando e imágenes de nanointerfaces de batería dinámica a través de crio-EM electrificado, avances científicos (2025). Doi: 10.1126/sciadv.adv3191
Proporcionado por el Instituto de Nanosystems de California
Cita: el nuevo método de imagen revela cómo las baterías de litio metal pierden la capacidad con el tiempo (2025, 14 de junio) Recuperado el 14 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-imaging-method-reveals-lithium-metal.html
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