Las baterías de litio metálico podrían exhibir densidades de energía significativamente mayores que las baterías de iones de litio, que son la principal tecnología de baterías en el mercado actual.Sin embargo, las celdas de litio-metal también suelen tener limitaciones importantes, la más notable de las cuales es su corta vida útil.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y otros institutos introdujeron recientemente un nuevo diseño de electrolito que podría usarse para desarrollar celdas tipo bolsa de litio-metal de alto rendimiento con una vida útil más larga.Este electrolito,presentadoen un papel enEnergía de la naturaleza, tiene una estructura de solvatación única a escala nanométrica, con pares de iones densamente empaquetados en agregados compactos de pares iónicos (CIPA).

"Los objetivos principales de nuestro trabajo reciente son acelerar notablemente las aplicaciones prácticas de las baterías de litio-metal y ofrecer una comprensión mecanicista profunda de este complicado sistema", dijo a Tech Xplore el profesor Shuhong Jiao, coautor del artículo.

"Las baterías de litio-metal son el santo grial del campo de las baterías y se consideran una prometedora técnica de baterías de próxima generación, porque tienen una densidad de energía ultraalta, teóricamente >500 Wh/kg. Esto es más del doble en comparación con las actuales.Las 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 se puede duplicar por carga".

Las baterías de litio metálico introducidas hasta la fecha tienen una vida útil muy limitada de aproximadamente 50 ciclos, que es significativamente menor que la de las baterías comerciales de iones de litio, que normalmente pueden conservar su buen rendimiento durante aproximadamente 1.000 ciclos.Las razones detrás de esta menor vida útil son el crecimiento de dendritas de litio, la alta reactividad de los cátodos de metal de litio y de metales de transición de alto voltaje, que en conjunto provocan la degradación constante del electrolito.

"A pesar de los grandes esfuerzos de los investigadores de todo el mundo, el rendimiento de las baterías de litio-metal aún está lejos de ser satisfactorio (>500 Wh/kg, 1.000 ciclos)", afirmó el profesor Jiao."La causa 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 el caso debaterías de iones de litio.Durante el funcionamiento de la batería todavía se produce una degradación constante y grave de los electrolitos".

Hace aproximadamente cinco años, la profesora Jiao y sus colegas diseñaron un electrolito que puede estabilizar simultáneamente las interfaces ánodo-electrolito y cátodo-electrolito en celdas de baterías de litio-metal, suprimiendo la degradación del electrolito.Su diseño de electrolitos se basa en investigaciones iniciales de procesos fisicoquímicos microscópicos dentro de baterías de metal de litio.

"Un electrolito es un componente clave de las baterías de litio-metal, ya que puede ajustar la química/estructura de SEI y así guiar el comportamiento de recubrimiento del litio-metal, dictando eventualmente el rendimiento de la batería", explicó el profesor Jiao.

"Para fines de aplicación práctica, intentamos lograr esto utilizando componentes baratos. Los innumerables trabajos de otros investigadores en este campo también nos inspiraron mucho, ya que introdujeron muchas clases nuevas de electrolitos, como electrolitos altamente concentrados, electrolitos localizados de alta concentración,electrolito de solvatación débil y electrolito de gas licuado, etc."

Para llevar a cabo este estudio reciente, la profesora Jiao y su grupo de investigación se asociaron con otros equipos que podían realizar cálculos teóricos y caracterizar electrolitos a escala microscópica.Sus esfuerzos de colaboración finalmente llevaron al diseño de una nueva clase de electrolitos que pueden extender la vida útil de las baterías de litio-metal.

Los electrolitos que diseñaron están hechos de moléculas asequibles y disponibles comercialmente.Su rasgo característico es su estructura de solvatación única.

"La estructura de solvatación es una característica inherente crucial de un electrolito, ya que gobierna el comportamiento interfacial del electrolito, al igual que su mecanismo de reacción interfacial que controla la formación de SEI y, por tanto, la química y la estructura de SEI", dijo el profesor Jiao.

"La estructura de solvatación del electrolito se ha adaptado intensamente a nivel microscópico en la literatura científica revisada por pares hasta ahora, particularmente la primera capa de solvatación del ion de litio, pero la sintonización estructural más allá de esta escala, es decir, la segunda capa de solvatación y más allá, se pasa por alto en gran medida.".

El reciente estudio de la profesora Jiao y sus colegas ha sido pionero en el ajuste de la estructura de solvatación de un electrolito a nivel mesoscópico.Su diseño único se centra específicamente en la interacción entre los pares de iones que subyacen a la formación de la estructura agregada del electrolito.

"Nuestro electrolito presenta grandes agregados compactos, que están formados por el denso empaquetamiento de pares de iones de anión litio con enlaces de coordinación entre sí, que definimos como el 'agregado de pares iónicos compactos (CIPA)'", dijo el profesor Jiao."Esto marca un marcado contraste con el predominio de pequeños agregados y pares iónicos separados en el electrolito localizado de alta concentración, una clase de electrolito de última generación con un rendimiento de batería líder hasta la fecha, que abre una nueva vía para el diseño de electrolitos".

En particular, el nuevo electrolito diseñado por este equipo de investigación muestra una reducción colectiva única en el ánodo de litio-metal.Esto significa que las nubes de aniones en la estructura CIPA se reducen rápidamente (es decir, se descomponen) en la superficie del litio, formando compuestos inorgánicos como Li.₂O y LiF, así como un SEI delgado y estable, que a su vez suprime la descomposición constante 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, lo que puede promover el flujo homogéneo de iones de litio dentro del SEI y la deposición de litio libre de dendritas".Dijo el profesor Jiao."Esto conduce a una deposición de litio homogénea y compacta, lo que reduce las áreas específicas del ánodo de metal de litio para suprimir aún más la descomposición del electrolito".

Además, el electrolito recientemente diseñado por los investigadores exhibe simultáneamente una buena estabilidad oxidativa y suprime la disolución de elementos de metales de transición del cátodo, mejorando así la estabilidad de la interfaz del cátodo.Se descubrió que la estabilización de esta interfaz, junto con la de la interfaz litio-electrolito, se traduce en ciclos estables durante un número prolongado de ciclos.

"La estructura de solvatación mesoscópica introducida en nuestro artículo conduce a una nueva clase de electrolitos, abriendo una nueva vía para el diseño de electrolitos de baterías de litio-metal", afirmó el profesor Jiao.

Para evaluar el potencial de su electrolito de nuevo diseño, los investigadores lo utilizaron para crear una celda de bolsa de metal de litio de 500 Wh/kg.En las pruebas iniciales, se descubrió que esta celda retenía el 91% de su energía después de funcionar durante 130 ciclos.En el futuro, este nuevoelectrólitoEl diseño podría ser reproducido y probado por otros investigadores de todo el mundo, para evaluar más a fondo su potencial para extender la vida útil de las baterías de metal de litio."Ahora estamos planeando prolongar aún más el ciclo de vida de las celdas de bolsa de metal de litio de 500 Wh/kg a más de 1.000 ciclos", añadió el profesor Jiao.

"Por otro lado, todavía estamos explorando el nuevo sistema de batería para lograr una densidad de energía mucho mayor con una vida útil más larga, como ⥠600 Wh/kg con 100-200 ciclos. Es valioso realizar todos estos estudios de investigación científica fundamental.el despliegue de baterías de litio-metal en muchos escenarios".

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