Una estrategia para diseñar una capa intermedia de ánodo de litio para baterías de litio-metal totalmente sólidas.

3 de febrero de 2024

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por Ingrid Fadelli , Tech Xplore

En las últimas décadas, ingenieros y químicos han estado trabajando para desarrollar tecnologías de baterías cada vez más avanzadas que podrían ayudar a satisfacer las crecientes demandas de la industria electrónica. Esto ha llevado a la aparición de nuevos tipos de baterías, incluidas las baterías de estado sólido.

Las baterías de estado sólido (ASSBs, por sus siglas en inglés) son celdas de baterías que incluyen un electrolito sólido situado entre dos electrodos. Estas baterías, particularmente las baterías de litio-metal de estado sólido (ASSLBs, por sus siglas en inglés), pueden exhibir altas densidades de energía y mayor seguridad, abordando algunas de las limitaciones de los diseños convencionales de baterías de iones de litio (LiB).

A pesar de sus propiedades ventajosas, las ASSLBs aún no se han implementado a gran escala. Esto se debe en parte al crecimiento de dendritas de litio y su alta resistencia en la interfaz, lo que puede afectar significativamente su rendimiento.

Investigadores de la Universidad de Maryland presentaron recientemente un nuevo principio para diseñar ASSLBs seguros y de alta energía. Este principio, descrito en Nature Energy, podría ayudar a desarrollar celdas de combustible más potentes y confiables para vehículos eléctricos y sistemas robóticos de gran tamaño.

'El esfuerzo actual para abordar el problema de las dendritas de litio de las baterías de estado sólido se basa en experimentos de prueba y error', dijo Zeyi Wang, primer autor del artículo, a Tech Xplore. 'En lugar de informar solo una sola capa intermedia, este artículo tiene como objetivo desarrollar un principio de diseño de interfaz que pueda guiar la fabricación de una serie de capas intermedias. Esta es una forma de resolver completamente el problema de las dendritas de litio en las baterías de estado sólido'.

El objetivo clave del trabajo reciente realizado por Wang y sus colegas fue identificar una estrategia prometedora para mitigar el crecimiento de dendritas de litio en las ASSLBs. Para lograr esto, el equipo propuso la introducción de una capa especial entre el ánodo de litio y el electrolito sólido en las celdas de la batería.

'Agregar una capa especial entre el ánodo de litio y el electrolito sólido puede abordar potencialmente los problemas de las dendritas de litio, pero las propiedades de la capa intermedia son de vital importancia para lograr esto', explicó Wang. 'Nuestro principio de diseño correlaciona la estabilidad de la batería con varias propiedades clave de la capa intermedia. Específicamente, destaca que la capa intermedia debe ser litiofóbica (es decir, repelida por el metal de litio), altamente conductora iónica y ligeramente conductora electrónica, y porosa'.

Como parte de su estudio, los investigadores utilizaron su principio de diseño para crear una celda de batería [email protected]/Li6PS5Cl/20 µm-Li con una capacidad de área de 2.2 mAh cm-2. En las pruebas iniciales, estas celdas de batería funcionaron notablemente bien, conservando el 82.4% de su capacidad después de 350 ciclos de operación a 60°C a una velocidad de carga de 0.5 C.

'Si bien estudios anteriores introdujeron muchas interfaces para la supresión de dendritas de litio, su mecanismo subyacente no se explicó claramente y el diseño no se puede generalizar', dijo Wang. 'El éxito de nuestro principio de diseño es que abre nuevas oportunidades para desarrollar baterías seguras'

Es importante destacar que el principio de diseño presentado por Wang y sus colegas podría aplicarse a una amplia gama de ASSLBs, ayudando a suprimir la formación de dendritas de litio y, por lo tanto, mejorando el rendimiento de las baterías. Por lo tanto, podría allanar el camino para el desarrollo de una amplia gama de tecnologías de baterías seguras y altamente eficientes que contienen electrolitos sólidos, las cuales podrían alimentar vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos de gran tamaño.

'En nuestros próximos estudios, probaremos más interfaces para modificar y verificar el principio de diseño', agregó Wang. 'Luego optimizaremos los materiales de la interfaz basándonos en los principios de diseño. Planeamos escalar la producción y, en última instancia, probar el dispositivo en vehículos en el futuro'

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