La interfaz entre electrodos y electrolitos contribuye en gran medida a la eficiencia con la que las baterías convierten la energía.En los últimos años, muchos esfuerzos destinados a desarrollar baterías de mejor rendimiento se han centrado en adaptar la interfaz electrodo/electrolito para aumentar la densidad energética de las baterías recargables, en particular las baterías de litio-metal (LMB).

Los LMB son soluciones de batería prometedoras que integran ánodos metálicos de Li, en lugar de los ánodos a base de grafito que suelen emplearse enbaterías de iones de litio(LiB).En comparación con las LiB, estas baterías podrían presentar densidades de energía significativamente mayores y velocidades de carga más rápidas.

Sin embargo, muchos LMB desarrollados hasta ahora tienen limitaciones importantes, como altos costos de fabricación, una baja eficiencia coulómbica y el crecimiento de dendritas de Li durante la carga.Las dendritas de Li son estructuras a base de metal de Li en forma de árbol que pueden formarse en la superficie de los ánodos mientras se carga una batería, lo que aumenta el riesgo de sobrecalentamiento y posibles incendios, al tiempo que reduce el rendimiento de la batería.

Una posible solución para superar esta limitación clave de los LMB es regular el Li⁺estructura de solvatación y diseño de nuevos electrolitos para facilitar la formación de la interfase sólido-electrolito (SEI) y estabilizar la interfaz electrodo/electrolito.Si bien muchos estudios se han centrado en estos objetivos, muy pocos exploraron cómo el entorno dieléctrico de las baterías contribuye a estabilizar/desestabilizar esta interfaz.

Investigadores de la Universidad de Zhejiang y otros institutos de China llevaron a cabo recientemente un estudio que explora esta cuestión de investigación.Su papel,publicadoenEnergía de la naturaleza, describe un protocolo dieléctrico que podría ayudar a abordar algunos de los problemas asociados con los LMB, mejorando potencialmente su seguridad y confiabilidad.

"A medida que los mercados de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía sigan creciendo, la demanda de LIB seguirá aumentando", dijo a TechXplore Xiulin Fan, coautor del artículo."Sin embargo, para lograr una economía baja en carbono o libre de carbono, necesitamos baterías que funcionen mejor que las LIB actuales. Esto requiere una tecnología de almacenamiento de energía con una densidad de energía superior a 500 Wh/kg, que podría alimentar dispositivos eléctricos.Nos han llamado la atención las baterías de litio metálico (LMB), que duran mucho más con una sola carga en comparación con las LIB, con electrodos metálicos en lugar de electrodos de grafito; sin embargo, estas baterías enfrentan problemas de muerte prematura tanto en el laboratorio como en la industria.LMB duraderos y de alta densidad energética".

El enfoque para diseñar LMB presentado en el artículo de los investigadores considera los efectos del campo eléctrico interfacial, que puede modularse mediante los dieléctricos de una batería, en la interfase electrodo/electrolito.Al regular el medio dieléctrico utilizado en las baterías, su protocolo garantiza la integridad de la coordinación catión-anión, permitiendo la formación del SEI a partir de la exposición del electrolito rico en aniones a un campo eléctrico interfacial.

"El protocolo dieléctrico requiere que los pares catión-anión se coloquen en un disolvente no solvatante con una constante dieléctrica alta, que puede proteger los pares catión-anión de la disociación por el campo eléctrico", explicó Fan."Esto forma una región rica en aniones cerca de la interfaz electrodo-electrolito. Dicha configuración interfacial puede priorizar la descomposición aniónica en la interfaz, impartiendo así una química interfacial robusta a los depósitos de Li en las células de bolsa de Li-metal".

"En las interfaces cargadas, los pares catión-anión se organizan en una distribución oscilatoria periódica", escribieron Zhang, Li y sus colegas."Una amplitud de oscilación baja exacerba la descomposición del electrolito y aumenta la impedancia de la superficie. Proponemos un protocolo dieléctrico que mantiene la coordinación catión-anión con una amplitud de oscilación alta en las interfaces, abordando estos problemas".

Utilizando el protocolo recientemente propuesto, el equipo logró una solución ultra delgadaelectrólito(1âgâAh^â1), que probaron en celdas de bolsa de metal de litio.Se descubrió que las células de la bolsa resultantes exhibían una notable densidad de energía de 500 âWhâkg.^â1.

"Este trabajo revela la distribución espacial de aniones y cationes en la interfaz electrodo-electrolito cargado", dijo Fan."Esto nos permite ajustar las propiedades interfaciales adaptando la composición del electrolito, lo que puede mejorar el rendimiento de la batería".

Otros grupos de investigación pronto podrían inspirarse en el enfoque mediado por dieléctrico de este equipo de investigación para preparar otros electrolitos prometedores para LMB.En conjunto, estos esfuerzos podrían contribuir al desarrollo de soluciones de baterías de alta densidad más confiables.

"La alta densidad de energía de las baterías de Li-metal puede provocar graves riesgos para la seguridad, como incendios y explosiones", añadió Fan."Nuestro trabajo futuro tiene como objetivo mejorar la estabilidad del ciclo de las baterías de Li-metal en condiciones realistas para lograr una tecnología de almacenamiento de energía que combine alta densidad de energía y seguridad".

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