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For a long time, battery scientists assumed that lithium ions drift through the liquid inside a cell largely alone. A team at Columbia University now reports that they often do not. In a study published in Nature, the researchers found that up to 40% of lithium ions in standard electrolytes group together into multi-ion clusters, and that clustering grows as salt concentration rises.
Durante mucho tiempo, los científicos de baterías dieron por sentado que los iones de litio se desplazan por el líquido del interior de una celda prácticamente solos. Un equipo de la Universidad de Columbia afirma ahora que a menudo no es así. En un estudio publicado en Nature, los investigadores comprobaron que hasta el 40 % de los iones de litio presentes en los electrolitos estándar se agrupan en clústeres de múltiples iones, y que esta agrupación aumenta a medida que sube la concentración de sal.
The electrolyte is the liquid that carries lithium ions between a battery's electrodes. It also drives the formation of the solid electrolyte interphase, a thin protective film on the anode that shapes both how long a battery lasts and how safe it is. Until now, the atomic-level structure behind that film had been difficult to pin down. The study was co-led by Richard Friesner of Columbia's Department of Chemistry, with Alexander Urban, Lauren Marbella and Daniel Steingart of the School of Engineering and Applied Science. The simulations relied on machine learning force field technology provided by Schrödinger Inc., with support from the New York Structural Biology Center.
El electrolito es el líquido que transporta los iones de litio entre los electrodos de una batería. También impulsa la formación de la interfase de electrolito sólido, una fina película protectora en el ánodo que determina tanto la duración de la batería como su seguridad. Hasta ahora, la estructura a escala atómica que hay detrás de esa película era difícil de precisar. El estudio fue dirigido conjuntamente por Richard Friesner, del Departamento de Química de Columbia, junto con Alexander Urban, Lauren Marbella y Daniel Steingart, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Las simulaciones se basaron en tecnología de campos de fuerza basada en aprendizaje automático proporcionada por Schrödinger Inc., con el apoyo del Centro de Biología Estructural de Nueva York.
The simulations showed lithium ions bunching up even without anions, the negatively charged ions that had been assumed to be needed for such groupings. Quantum chemical calculations indicate that these multi-lithium clusters are unusually easy to reduce, meaning they take up electrons readily. That makes them likely candidates for the intermediate steps that build the protective film, which the researchers describe as critical for longevity and safety.
Las simulaciones mostraron que los iones de litio se agrupan incluso sin aniones, los iones cargados negativamente que se suponía que eran necesarios para formar esas agrupaciones. Los cálculos de química cuántica indican que estos clústeres de litio múltiple se reducen con especial facilidad, es decir, captan electrones con rapidez. Esto los convierte en candidatos probables para los pasos intermedios que construyen la película protectora, que los investigadores describen como crítica para la longevidad y la seguridad.
The simulations were only half of the work. Columbia's engineering school ran experiments, and the team reports that its machine learning simulations showed strong agreement with a wide range of experimental data on condensed-phase systems. Friesner stressed that confirming the predicted chemistry in the lab was extremely difficult. This is a laboratory result, and it has not yet been turned into a commercial electrolyte.
Las simulaciones fueron solo la mitad del trabajo. La escuela de ingeniería de Columbia realizó experimentos, y el equipo informa de que sus simulaciones de aprendizaje automático concordaron en gran medida con una amplia gama de datos experimentales sobre sistemas en fase condensada. Friesner subrayó que confirmar en el laboratorio la química predicha fue extremadamente difícil. Se trata de un resultado de laboratorio que aún no se ha convertido en un electrolito comercial.
For battery chemists designing next-generation electrolytes, the clusters offer a concrete target: a model of what happens at the atomic scale, which the authors say can guide work on performance, stability and charge rates. The team says the insights have the potential to produce higher-capacity, faster-charging and longer-lasting batteries, but it gives no timeline for when that could reach a product. Friesner also argues that the same blend of simulation and experiment could help with biology and materials science more broadly.
Para los químicos de baterías que diseñan electrolitos de nueva generación, los clústeres ofrecen un objetivo concreto: un modelo de lo que ocurre a escala atómica, que, según los autores, puede orientar el trabajo sobre rendimiento, estabilidad y velocidades de carga. El equipo sostiene que estas conclusiones podrían dar lugar a baterías de mayor capacidad, de carga más rápida y de mayor duración, pero no ofrece un calendario para que eso llegue a un producto. Friesner sostiene además que la misma combinación de simulación y experimentación podría ayudar en biología y ciencia de materiales en general.