Las células electroquímicas, o las baterías, como ejemplo líder, son tecnologías complejas que combinan química, física, ciencia de los materiales y electrónica. Más que fuentes eléctricas para todo, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, son un fuerte estímulo para la investigación científica que comprende completamente su estructura y evolución a nivel molecular.
Un equipo, dirigido por Ying G. Zhang, profesor de ciencias de materiales e ingeniería en la Greater College of Engineering en el Campeonato de Urbana de la Universidad de Illinois, ha completado la primera investigación sobre los aspectos generalizados pero a menudo descuidados de las células electroquímicas: en las células. Como los investigadores han informado en la acción de la Academia Nacional de Ciencias, las imágenes de microscopios han revelado que estas estructuras de interfaz, llamadas doble capa eléctrica (EDL), establecidas en una secuencia específica en respuesta al depósito químico a nivel sólido.
“Las células electroquímicas tienden a pensar solo como baterías para su utilidad técnica, pero aún tienen mucha ciencia que informan las aplicaciones técnicas”, dijo Kian Ai, un estudiante graduado del grupo de investigación y el autor principal del estudio. “En nuestro trabajo, revisamos cuidadosamente los EDL con microscopía de fuerza de átomo 3D, que está diseñada para comprender fuerzas más pequeñas. Por primera vez, observamos la estructura molecular de EDL no saludables alrededor de la superficie.
Las células electroquímicas aprovechan las cargas móviles dentro de los electrolitos líquidos para mantener el desequilibrio de energía, lo que da lugar a la diferencia de voltaje entre los dos terminales. Una investigación preliminar de estos sistemas hace 100 años reveló la existencia de la EDL en la interfaz entre el electrolito líquido y el conductor sólido, que media arbitrariamente en las diferencias de voltaje. Contienen electrolitos hechos a sí mismos en las capas gruesas nanómetro en la interfaz.
El trabajo del pasado ha demostrado que las interfaces líquidas sólidas en las baterías son contradictorias, lo que varía de manera diferente en recetas y formas químicas, a veces formando grupos de superficie. Sin embargo, estos esfuerzos para estudiar y modelar células electroquímicas se centran solo en modelos de nivel plano y uniforme. El resultado es una diferencia de conocimiento que impide nuestra comprensión de las células electroquímicas y la tecnología de la batería.
En una investigación de la interfaz contradictoria, el equipo utilizó microscopía de fuerza de átomo 3D, diseñada para comprender fuerzas más pequeñas. Este procedimiento les permitió asociarse con la inhomogeneidad en el EDL, con grupos de superficie, estructuras que lo han hecho en las primeras etapas de la carga de la batería. Según los datos, los investigadores sugirieron tres reacciones básicas a la EDL: “flexión”, en la que las capas aparecen alrededor del clúster. “Break”, en el que algunas partes de las capas están separadas para formar nuevas capas intermedias. Y “Re -Connect”, en el que la capa EDL sobre el clúster está conectada a una capa cercana con desplazamiento en el número de capa.
“Estos tres especímenes son bastante universales”, dijo Ai. “Estas estructuras se deben principalmente al tamaño limitado de las moléculas líquidas, no su química específica. Deberíamos poder predecir estructuras líquidas basadas en forma de superficie sólida para otros sistemas”.
En el futuro, los investigadores esperan expandir sus resultados.
“Esto es terrenal”, dijo Zhang. “Hemos resuelto el EDL en un sistema electroquímico realista y diverso, que es un grano sagrado en electroquímica. Además de las implicaciones prácticas en la tecnología, estamos comenzando a desarrollar nuevos capítulos en libros de texto electroquímicos”.
Lalith Bonagiri, Costobe Page, Jehon Kim y Sean Chow también jugaron un papel importante en el trabajo.
La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea proporcionó asistencia.
Yingji Zhang es profesor asistente de ingeniería de Ingeniería de Illinois Genijer de Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Ciencia e Ingeniería. Está asociado con el Laboratorio de Investigación de Materiales y el Instituto Backman de Ciencia y Tecnología Avanzada.
