El nuevo diseño de electrolito es prometedor para extender la vida útil de las baterías de metal de litio

Las baterías de litio metálico pueden tener densidades de energía significativamente más altas que las baterías de iones de litio, que son la principal tecnología de baterías en el mercado actual. Sin embargo, las pilas de metal litio también suelen sufrir importantes limitaciones, sobre todo su corta vida útil.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y otros institutos presentaron recientemente un nuevo diseño de electrolito que puede usarse para desarrollar celdas sinusoidales de metal-litio de alto rendimiento con vidas útiles más largas. Este electrolito, fue presentado en papel en La energía de la naturalezatiene una estructura solvente única a nanoescala, con pares de iones densamente empaquetados en grupos compactos de pares iónicos (CIPA).

«Los objetivos principales de nuestro último trabajo son acelerar significativamente las aplicaciones prácticas de las baterías de litio-metal y proporcionar una comprensión mecanicista profunda de este complejo sistema», dijo a Tech Xplore el profesor Shuhong Jiao, coautor del estudio.

“Las baterías de litio metálico se consideran el santo grial de la duración de las baterías y se consideran una prometedora tecnología de baterías de próxima generación, porque tienen una densidad de energía extremadamente alta, teóricamente >500 Wh/kg. Las actuales baterías de iones de litio dominan el mercado de las baterías, “lo que significa que si podemos reemplazar las baterías de iones de litio con baterías de metal de litio, la autonomía de los vehículos eléctricos por carga podría duplicarse”.

Las baterías de litio metálico introducidas hasta ahora tienen una vida útil muy limitada de unos 50 ciclos, que es mucho menor que la de las baterías comerciales de iones de litio, que normalmente pueden mantener su buen rendimiento durante unos 1.000 ciclos. Las razones de esta vida útil reducida son el crecimiento de dendritas de litio, la alta reactividad de las baterías de metal de litio y los cátodos de metales de transición de alto voltaje, que en conjunto catalizan la descomposición continua del electrolito.

«A pesar de los grandes esfuerzos de los investigadores de todo el mundo, el rendimiento de las baterías de metal de litio aún está lejos de ser satisfactorio (>500 Wh/kg, 1.000 ciclos)», afirmó el profesor Jiao. «La razón principal es que las interfaces entre el electrolito y los electrodos (es decir, la interfaz ánodo-electrolito y la interfaz cátodo-electrolito) no pueden estabilizarse completamente como en las baterías de iones de litio. Aún se produce una degradación severa y continua del electrolito durante la batería. operación.»

Hace unos cinco años, la profesora Jiao y sus colegas diseñaron un electrolito que puede estabilizar las interfaces ánodo-electrolito y cátodo-electrolito en celdas de baterías de litio-metal simultáneamente, evitando la descomposición del electrolito. El diseño de sus electrolitos se basa en investigaciones iniciales de procesos físicos y químicos microscópicos dentro de las baterías de metal de litio.

«El electrolito es uno de los componentes clave de las baterías de litio-metal, porque es capaz de ajustar la química/estructura del SEI y así guiar el comportamiento de recubrimiento del metal de litio, lo que en última instancia determina el rendimiento de la batería», explicó el profesor Jiao. .

“Para fines de aplicación práctica, intentamos lograr esto utilizando componentes baratos. También nos inspiró mucho el trabajo realizado por otros investigadores en este campo, que introdujeron muchas clases nuevas de electrolitos, como electrolitos de alta concentración y electrolitos de alta concentración localizados. , electrolitos poco solubles y electrolitos gaseosos licuados, etc.”

Para realizar este último estudio, la profesora Jiao y su grupo de investigación colaboraron con otros equipos capaces de realizar cálculos teóricos y caracterizar electrolitos a escala microscópica. Al final, sus esfuerzos de colaboración llevaron al diseño de una nueva clase de electrolitos capaces de prolongar la vida útil de las baterías de metal litio.

Los electrolitos que diseñaron consisten en moléculas asequibles y disponibles comercialmente. Estos electrolitos tienen una composición de disolvente única.

«La estructura del disolvente es una característica inherente fundamental del electrolito, porque gobierna el comportamiento de la interfaz del electrolito, del mismo modo que el mecanismo de reacción de la interfaz controla la formación de SEI y, por tanto, la química y la estructura de SEI», dijo el profesor Jiao.

“La estructura de fusión del electrolito ha sido ampliamente modelada a nivel microscópico en la literatura científica revisada por pares hasta la fecha, especialmente la primera capa de fusión de iones de litio, pero el ajuste estructural fuera de este rango, es decir, la segunda capa de fusión y más allá, es ignorado en gran medida”.

El reciente estudio realizado por la profesora Jiao y sus colegas fue pionero en el ajuste de la estructura de los electrolitos fundidos a mesoescala. Su diseño único se centra específicamente en la interacción entre pares de iones que subyacen a la formación de la estructura del complejo electrolítico.

«Nuestro electrolito se caracteriza por grandes agregados compactos, formados por un denso empaquetamiento de pares de iones y aniones de litio con un enlace de coordinación entre sí, que definimos como ‘agregación de pares de iones compactos (CIPA)», dijo el profesor Jiao. marcado contraste con el predominio de pequeños agregados y pares de aniones «Iones separados en el electrolito de alta concentración localizado, una clase de electrolito avanzado con el rendimiento de batería líder hasta la fecha, abriendo un nuevo camino hacia el diseño de electrolitos».

Vale la pena señalar que el nuevo electrolito diseñado por este equipo de investigación muestra una reducción de masa única en el ánodo de metal de litio. Esto significa que las nubes de aniones en la estructura CIPA se contraen rápidamente (es decir, se descomponen) en la superficie del litio, formando compuestos inorgánicos como Li-Met.₂O y LiF, así como SEI fino y estable, que a su vez evita la descomposición continua del electrolito.

«Gracias al comportamiento único de transferencia colectiva de electrones, nuestro electrolito forma un SEI delgado y conformado con bajo contenido orgánico y rico en componentes inorgánicos con distribución uniforme, que puede promover un flujo homogéneo de iones de litio dentro del SEI y la deposición de litio libre de dendríticas», dijo Profesor Jiao. «Esto da como resultado una deposición de litio homogénea y compacta, reduciendo las áreas específicas del ánodo de metal de litio para suprimir aún más la descomposición del electrolito».

Además, el electrolito de nuevo diseño mostró una buena estabilidad oxidativa y suprimió la descomposición de elementos de metales de transición del cátodo, mejorando así la estabilidad de la interfaz del cátodo. Se descubrió que la estabilidad de esta interfaz, junto con la estabilidad de la interfaz litio-electrolito, conduce a ciclos estables durante un número prolongado de ciclos.

«La estructura mesosolvente introducida en nuestra investigación conduce a una nueva clase de electrolitos, abriendo un nuevo camino para diseñar electrolitos para baterías de metal litio», dijo el profesor Jiao.

Para evaluar el potencial de su electrolito de nuevo diseño, los investigadores lo utilizaron para crear una celda sinusoidal de litio metálico de 500 W/kg. En las pruebas iniciales, se descubrió que esta célula retenía el 91% de su energía después de funcionar durante 130 ciclos. En el futuro, otros investigadores de todo el mundo podrán reproducir y probar el nuevo diseño del electrolito para evaluar más a fondo su potencial para extender la vida útil de las baterías de metal litio.

«Ahora planeamos extender el ciclo de vida de las celdas de bolsa de metal de litio de 500 W/kg a más de 1.000 ciclos», añadió el profesor Jiao. “Por otro lado, todavía estamos explorando nuevos sistemas de baterías para lograr una densidad de energía mucho mayor con una vida útil más larga, como ≥ 600 Wh/kg con 100-200 ciclos. Todos estos estudios de investigación científica básica son valiosos para realizar el despliegue del litio. baterías de metal en muchos escenarios «.

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