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Los investigadores examinaron cómo la corriente eléctrica genera flujos de calor en una celda de batería de iones de litio. El calor fluyó en contra de la corriente eléctrica, lo que provocó una temperatura más alta en el lado por donde la corriente entraba a la celda. CRÉDITO La Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign |
Abstracto:
Las baterías generalmente se examinan en función de propiedades eléctricas como el voltaje y la corriente. Sin embargo, una nueva investigación sugiere que observar el flujo de calor junto con la electricidad puede proporcionar información importante sobre la química de las baterías.
Lo que el calor puede decirnos sobre la química de las baterías: uso del efecto Peltier para estudiar celdas de iones de litio
Urbana, Illinois | Publicado el 8 de marzo de 2024
Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha demostrado cómo estudiar las propiedades químicas de las celdas de baterías de iones de litio utilizando el efecto Peltier, en el que la corriente eléctrica hace que un sistema extraiga calor. Como se informa en la revista Physical Chemistry Chemical Physics, esta técnica permitió medir experimentalmente la entropía del electrolito de iones de litio, una propiedad termodinámica que podría impactar directamente en el diseño de las baterías de iones de litio.
“Nuestro trabajo consiste en comprender la termodinámica fundamental de los iones de litio disueltos. Información que esperamos oriente el desarrollo de mejores electrolitos para baterías”, dijo David Cahill, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la U of I y líder del proyecto. “Al medir el transporte acoplado de carga eléctrica y calor en el efecto Peltier, podemos inferir la entropía, una cantidad que está estrechamente relacionada con la estructura química de los iones disueltos y su interacción con otras partes de la batería”.
El efecto Peltier está bien estudiado en sistemas de estado sólido, donde se utiliza para enfriar y enfriar. Sin embargo, todavía está en gran parte inexplorado en sistemas iónicos como el electrolito de litio. La razón de esto es que las diferencias de temperatura causadas por el calentamiento y el enfriamiento Peltier son pequeñas en comparación con otros efectos.
Para superar este obstáculo, los investigadores utilizaron un sistema de medición que permite una resolución de una cienmilésima de grado Celsius. Esto permitió a los investigadores medir el calor entre los dos extremos de la celda y usarlo para calcular la entropía del electrolito de iones de litio en la celda.
«Estamos midiendo una propiedad macroscópica, pero aún proporciona información importante sobre el comportamiento microscópico de los iones», dijo Rosy Huang, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Cahill y coautora principal del estudio. “Las mediciones del efecto Peltier y la entropía de la solución están estrechamente relacionadas con la estructura de solvatación. Hasta ahora, los investigadores de baterías se han basado en mediciones de energía, pero la entropía sería una adición importante a esta información y proporcionaría una imagen más completa del sistema”.
Los investigadores examinaron cómo cambia el flujo de calor Peltier con la concentración de iones de litio, el tipo de disolvente, el material del electrodo y la temperatura. En todos los casos, observaron que el flujo de calor era opuesto a la corriente iónica en la solución, lo que significa que la entropía de la disolución de los iones de litio es menor que la entropía del litio sólido.
La capacidad de medir la entropía de las soluciones de electrolitos de iones de litio puede proporcionar información importante sobre la movilidad de los iones, el control del ciclo de recarga de la batería y cómo la solución interactúa con los electrodos, un factor importante en la vida útil de la batería.
«Un aspecto subestimado del diseño de la batería es que el electrolito líquido no es químicamente estable cuando entra en contacto con los electrodos», dijo Cahill. “Siempre se descompone y forma lo que se llama una interfaz de electrolito sólido. Para hacer que una batería sea estable durante ciclos largos, es necesario comprender la termodinámica de esta interfaz, y nuestro método ayuda con eso”.
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Zhe Cheng es el segundo coautor principal del estudio. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon y Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la U of I, también contribuyeron a este trabajo.
El artículo de los investigadores «Efecto iónico Peltier en electrolitos de iones de litio» está disponible en línea. DOI: 10.1039/d3cp05998g
El apoyo fue brindado por el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de Construcción del Ejército de EE. UU. y la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU., División de Ciencias e Ingeniería de Materiales.
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Casandra Smith
Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois
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