Intercalación (química)

Un anfitrión de intercalación famoso es el grafito , que intercala potasio como huésped. ^{[ 3 ]} La intercalación expande el espacio de van der Waals entre las láminas, lo que requiere energía . Por lo general, esta energía se suministra mediante la transferencia de carga entre el huésped y el sólido anfitrión, es decir, redox . Dos compuestos de grafito de potasio son KC ₈ y KC _24. Los fluoruros de carbono (por ejemplo, (CF) _x y (C ₄ F)) se preparan mediante la reacción de flúor con carbono grafítico. El color es grisáceo, blanco o amarillo. El enlace entre los átomos de carbono y flúor es covalente , por lo que el flúor no se intercala. Estos materiales se han considerado como cátodo en varias baterías de litio .

El tratamiento del grafito con ácidos fuertes en presencia de agentes oxidantes provoca su oxidación. El bisulfato de grafito, [C₂₄ _] ⁺ ^[ HSO₄ _] ⁻ ^, se prepara mediante este método utilizando ácido sulfúrico y una pequeña cantidad de ácido nítrico o ácido crómico . El perclorato de grafito análogo se puede obtener de forma similar mediante reacción con ácido perclórico .

Uno de los usos más importantes y diversos del proceso de intercalación a principios de la década de 2020 es el almacenamiento electroquímico de energía de iones de litio , en las baterías utilizadas en muchos dispositivos electrónicos portátiles, dispositivos de movilidad , vehículos eléctricos y estaciones de almacenamiento eléctrico de baterías a escala industrial .

Para 2023, todas las celdas de iones de litio comerciales utilizan compuestos de intercalación como materiales activos, y la mayoría los utilizan tanto en el cátodo como en el ánodo dentro de la estructura física de la batería. ^{[ 4 ]}

En 2012, tres investigadores, Goodenough , Yazami y Yoshino , recibieron la Medalla IEEE 2012 de Tecnologías Ambientales y de Seguridad por el desarrollo de la batería de iones de litio intercalada. Posteriormente, Goodenough, Whittingham y Yoshino fueron galardonados con el Premio Nobel de Química 2019 "por el desarrollo de las baterías de iones de litio". ^{[ 5 ]}

Durante el ciclo electroquímico (la carga y descarga repetidas de una batería), los iones se intercalan y desintercalan de los materiales de los electrodos, lo que provoca la expansión y contracción de la estructura laminar. Estas fluctuaciones volumétricas generan tensiones locales que pueden variar entre ciclos, lo que da lugar a la acumulación de tensión residual. ^{[ 12 ]} Con el tiempo, esta acumulación puede provocar fatiga mecánica y la formación de microfisuras , especialmente en los puntos de concentración de tensión. ^{[ 13 ]}

Dicha degradación mecánica contribuye a la pérdida de capacidad a través de varios mecanismos:

• Pérdida de conectividad eléctrica dentro del material activo, ^{[ 14 ]}
• Mayor formación de la interfase sólido-electrolito (SEI), consumiendo electrolito y litio activo, ^{[ 15 ]}
• Mayor susceptibilidad a un mayor agrietamiento y crecimiento dendrítico de litio. ^{[ 16 ]}

En conjunto, estos modos de fallo contribuyen al deterioro progresivo del rendimiento de la batería y, en última instancia, a su fallo total.

Para mitigar la tensión inducida por la intercalación, los materiales de los electrodos se seleccionan en función de su compatibilidad estructural con el ion intercalante, generalmente litio. Los electrodos comerciales de iones de litio, como _LiCoO₂ , LiFePO₄ o el compuesto de intercalación de grafito de litio , se eligen en parte por su tensión inducida por la intercalación relativamente baja y su estabilidad estructural, que contribuyen a una mayor _vida útil . ^{[ 17 ]}

Con el creciente interés en las baterías de estado sólido , surgen nuevos desafíos. Los electrolitos sólidos , a diferencia de sus contrapartes líquidas, también pueden acumular tensión mecánica a medida que los iones migran a través de ellos. Los cambios volumétricos tanto en el electrodo como en el electrolito sólido pueden provocar un contacto interfacial deficiente, lo que dificulta el transporte de iones y puede causar delaminación en los límites de fase. ^{[ 18 ]}

En lo que respecta a los sistemas de almacenamiento de energía, los efectos mecánicos de la intercalación de iones, en particular la expansión de volumen y la consiguiente acumulación de tensiones, son fundamentales para los mecanismos de degradación observados en muchos materiales de electrodos. ^{[ 10 ]} Algunas arquitecturas de electrodos pueden acomodar mejor estas tensiones mecánicas. Los materiales nanoestructurados , incluidas las partículas huecas, las estructuras porosas y las morfologías de núcleo-corteza, pueden distribuir las cargas mecánicas de manera más uniforme durante el ciclo. ^{[ 13 ]} Los aglutinantes poliméricos flexibles y las redes conductoras capaces de autorrepararse o deformarse plásticamente ofrecen un mayor potencial para mitigar el daño inducido por el estrés. ^{[ 16 ]}

En las baterías de estado sólido, el problema se acentúa aún más debido a la rigidez de los electrolitos sólidos inorgánicos. A diferencia de los electrolitos líquidos, que pueden adaptarse a los cambios morfológicos, los electrolitos sólidos son más susceptibles a agrietarse, formar huecos y deslaminarse en las interfaces durante el ciclo de carga y descarga. Estas fallas mecánicas pueden impedir el transporte de iones y provocar la falla de la celda. ^{[ 18 ]} Las estrategias para reducir la tensión en los sistemas de estado sólido incluyen el uso de intercapas flexibles, la ingeniería de interfaces y materiales electrolíticos con mayor resistencia mecánica. ^{[ 19 ]}