Un método de reemplazo de cationes para lograr electrolitos altamente eficientes para baterías de metales multivalentes.

21 de enero de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli , Tech Xplore

A medida que aumenta el uso de vehículos eléctricos e híbridos en muchos países de todo el mundo, el desarrollo de tecnologías de baterías seguras y de mejor rendimiento se vuelve cada vez más crucial. Especialmente, los ingenieros han estado tratando de aumentar la seguridad y la capacidad energética de las baterías, al tiempo que garantizan su escalabilidad y ralentizan su degradación con el tiempo.

Las tecnologías de baterías que podrían respaldar las demandas de la industria electrónica incluyen baterías de metal multivalentes recargables (es decir, baterías que emplean iones multivalentes) basadas en materiales de ánodo con bajos potenciales de reducción, como el magnesio (Mg) y el calcio (Ca). Estas baterías podrían exhibir altas densidades de energía si se desarrollan utilizando la combinación adecuada de ánodos, cátodos y electrolitos.

En los últimos años, los estudios han identificado varios materiales de ánodo rentables para estas baterías. Por otro lado, muchos de los electrolitos propuestos son difíciles de obtener o dependen de procesos de síntesis sofisticados, lo que dificulta su fabricación a gran escala.

Investigadores de la Universidad de Zhejiang, el Centro de Innovación Científica y Tecnológica Global ZJU-Hangzhou y la Universidad de Tecnología de Dalian presentaron recientemente un nuevo método universal para realizar electrolitos altamente eficientes y escalables para baterías de metal multivalentes. Su estrategia propuesta, descrita en un artículo en Nature Energy, podría ayudar a diseñar sistemas de electrolitos reversibles y más asequibles, lo que podría resultar valioso para las tecnologías de baterías de próxima generación.

"Se buscan sistemas de electrolitos de alto rendimiento y bajo costo para baterías de metal multivalentes de alta densidad de energía", escribieron Siyuang Li, Jiahui Zhang y sus colegas en su artículo.

"Sin embargo, el precursor costoso y el complejo proceso de síntesis dificultan la exploración de las interfaces electrodo de cátodo / electrolito y las estructuras de solvatación. Desarrollamos un método universal de reemplazo de cationes para preparar electrolitos de magnesio y calcio de bajo costo y alta reversibilidad derivados de una estructura de solvatación de organoborato de zinc".

El método introducido por este equipo de investigación abarca varios pasos. En primer lugar, los investigadores provocaron una reacción química entre un precursor Zn (BH4)2 asequible y fácilmente disponible con diferentes fluoroalcoholes, produciendo aniones objetivo con varias cadenas ramificadas.

Posteriormente, estos solvatos de aniones reaccionaron con láminas de metal de bajo costo con una mayor actividad metálica para producir estructuras de solvatación objetivo. Para suprimir la descomposición continua de los disolventes y mantener un ciclo estable de la batería, los investigadores propusieron la formación de una capa de pasivación basada en dos tipos de solvatos de calcio.

"Ajustando racionalmente la longitud de la cadena del precursor y el grado de sustitución de F, podemos ajustar finamente la participación de los aniones en la cáscara primaria de solvatación", explicaron los investigadores en su artículo. "Un electrolito de organoborato de magnesio completamente disociado permite una alta resistencia a la corriente y una mayor cinética electroquímica, mientras que el electrolito de organoborato de calcio con una fuerte inclusión de coordinación / B-H ofrece una interfase electrólito-sólido estable con alta eficiencia coulombica".

Hasta ahora, los investigadores han utilizado su método para crear un prototipo de batería de alta carga de 53.4 Wh/kg basado en Mg/S, que contenía un ánodo de Mg de 30 μm, una relación baja de electrolito/azufre (E/S = 5.58 μl/mg) y un separador/intercapa modificado. En las pruebas iniciales, el prototipo de batería obtuvo resultados prometedores, destacando la promesa de este enfoque para crear electrolitos favorables y de bajo costo para baterías de metal multivalentes.

En el futuro, el método presentado en este artículo podría allanar el camino hacia la creación de varios sistemas de electrolitos reversibles que dependan de materiales más asequibles y estrategias de procesamiento más simples. Estos electrolitos podrían usarse para crear baterías de metal multivalentes escalables y seguras con mayores densidades de energía.

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