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Judit LISONI

Profesora Titular Universidad Austral de Chile (UACh) Directora Unidad de Microscopía Electrónica, Valdivia, UACh

Desafíos para la microscopía electrónica en la caracterización microestructural de baterías de ion-litio

Resumen

El Premio Nobel de Química 2019 fue otorgado a J. Goodenough, M. Stanley Whittingham y A. Yoshino por el desarrollo de la batería recargables de iones-litio (LiB, por sus siglas en inglés), los cuales son dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica (EES) caracterizados por su capacidad para proporcionar altas densidades de energía y potencia volumétrica y gravimétrica. Hoy en día, LiBs son las baterías más madura y popular en las tecnologías de EES. Están en el corazón de la electrónica portátil y los automóviles eléctricos, y son uno de los candidatos prometedores para almacenar la energía producida a partir de fuentes renovables intermitentes. Sin embargo, todavía se necesitan urgentes mejoras para cumplir con las demandas energéticas y de potencia que diversas aplicaciones presentes en el mercado requieren, como también para aquellas nuevas que se desarrollarán en el futuro. Estos dispositivos podrán ser mejorados solo si entendemos cómo los cambios microestructurales de los materiales que forman las LiBs se asocian a su performance electroquímica. Esto necesariamente va de la mano con nuestras capacidades para caracterizar la materialidad de las LiBs tanto en condiciones de operación o en post-mortem.

En esta charla discutiremos estos desafíos a través del estudio que nuestro grupo de investigación realiza conánodosde conversión fractálicos nanoestructurados a base de óxido de níquel-cobre. Los ánodos de conversión son excelentes candidatos para reemplazar a los ánodos de inserción, como por ejemplo los basados en grafito, dado que pueden transferir muchos electrones durante el proceso electroquímico de inserción y extracción de litio, obteniéndose así capacidades más altas. Los ánodos de conversión deóxidos de metales de transición sufren de aumentos significativos de volumen (>100%), histéresis de voltaje, falta de rendimiento reproducible en ciclos de carga/descarga y una eficiencia coulómbica pobre (<75%). Sin embargo, la simplicidad de las reacciones de óxido-reducción de estos óxidos, la amplia variedad en composiciones, abundancia, costos y multifuncionalidad utilizada en varios tipos de dispositivos hace que estos ánodos merezcan ser investigados. Por otra parte, los electrodos fractálicos se proponen como una solución escalable para LiB donde su geometría y nanoestructura deben adaptarse para optimizar el rendimiento electroquímico del dispositivo. La fabricación de este tipo de estructuración fractal con su adecuada caracterización morfológica, tanto 2- como 3-dimensional, sigue siendo un desafío hasta ahora. Así, la microscopía electrónica y su versatilidad al acoplarse a diferentes sistemas de detección se presenta como una herramienta poderosa para lograr una caracterización microestructural significativa de estos sistemas fractálicos nanoestructurados, lo que necesariamente permitirá avanzar en su potencial integración en LiBs.

Agradecimientos: Proyecto Fondecyt Regular 1230945; Programa Iniciativa Científica Milenio NCN2023_007.

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