Nuevo diseño de electrolito muestra promesas para baterías de litio-metal más duraderas

18 de agosto de 2024

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Las baterías de litio-metal podrían exhibir densidades de energía significativamente más altas que las baterías de iones de litio, que son la tecnología de baterías principal en el mercado hoy en día. Sin embargo, las celdas de litio-metal suelen tener limitaciones significativas, siendo la más notable una vida útil corta.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y otras instituciones presentaron recientemente un nuevo diseño de electrólito que podría utilizarse para desarrollar celdas de litio-metal tipo bolsa altamente eficientes y con una vida útil más larga. Este electrólito, presentado en un artículo en Nature Energy, tiene una estructura de solvatación única a escala nanométrica, con pares de iones densamente empaquetados en agregados compactos de pares de iones (CIPA).

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

"Las baterías de Li-metal son el Santo Grial del campo de las baterías y se ven como una técnica de batería prometedora de próxima generación, ya que tienen una densidad de energía ultra alta, teóricamente >500 Wh/kg. Esto es más del doble en comparación con las baterías de iones de litio actuales que dominan el mercado, lo que significa que si logramos reemplazar las baterías de iones de litio con baterías de litio-metal, el rango de los vehículos eléctricos puede duplicarse por carga."

Las baterías de litio-metal introducidas hasta la fecha tienen una vida útil de ciclo altamente limitada de aproximadamente 50 ciclos, significativamente menor que la de las baterías de iones de litio comerciales, que generalmente 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 del litio-metal y los cátodos de metales de transición de alto voltaje, que colectivamente promueven la degradación constante del electrólito.

"A pesar de los extensos esfuerzos de investigadores de todo el mundo, el rendimiento de las baterías de litio-metal todavía está lejos de ser satisfactorio (>500 Wh/kg, 1,000 ciclos)", dijo la Prof. Jiao. "La causa principal es que las interfaces entre el electrólito y los electrodos (es decir, la interface electrodo-electrólito y la interface cátodo-electrólito) no pueden estabilizarse por completo como en el caso de las baterías de iones de litio. La degradación constante y severa del electrólito sigue ocurriendo durante la operación de la batería."

Hace aproximadamente cinco años, la Prof. Jiao y sus colegas diseñaron un electrólito que puede estabilizar simultáneamente las interfaces electrodo-electrólito y cátodo-electrólito en las celdas de batería de litio-metal, suprimiendo la degradación del electrólito. Su diseño de electrólito se basa en investigaciones previas de procesos fisicoquímicos microscópicos dentro de las baterías de litio-metal.

"El electrólito es un componente clave de las baterías de litio-metal, ya que puede ajustar la química/estructura del SEI y así guiar el comportamiento de electrodepositación del litio-metal, determinando en última instancia el rendimiento de la batería", explicó la Prof. Jiao.

"Para fines de aplicación práctica, intentamos lograr esto utilizando componentes económicos. Los innumerables trabajos de otros investigadores en este campo también nos inspiraron mucho, ya que introdujeron muchas nuevas clases de electrólitos como electrólitos altamente concentrados, electrólitos de alta concentración localizados, electrólitos débilmente solvatantes y electrólitos de gases licuados, etc."

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

Los electrólitos que diseñaron están hechos de moléculas comercialmente disponibles y asequibles. Su característica distintiva es su estructura de solvatación única.

"La estructura de solvatación es una característica inherente crucial de un electrólito, ya que rige el comportamiento interfacial del electrólito, como su mecanismo de reacción interfacial que controla la formación de SEI y, por lo tanto, la química y estructura del SEI", dijo la Prof. Jiao.

'La estructura de solvatación del electrolito ha sido intensamente modificada a nivel microscópico en la literatura científica revisada por pares hasta ahora, especialmente la primera capa de solvatación de iones de litio, pero la afinación estructural más allá de esta escala, es decir, la segunda capa de solvatación y más allá, es ampliamente pasada por alto.'

El estudio reciente realizado por la Prof. Jiao y sus colegas ha sido pionero en la modificación de la estructura de solvatación de un electrolito a nivel mesoscópico. Su diseño único se enfoca específicamente en la interacción entre pares de iones que subyacen en la formación de la estructura agregada del electrolito.

'Nuestro electrolito presenta grandes agregados compactos, que se forman por el empaquetamiento denso de pares de iones de litio-anión con unión de coordinación entre ellos, lo cual definimos como el 'agregado compacto de pares de iones (CIPA),' dijo la Prof. Jiao. 'Este marca un fuerte contraste con la dominación de pequeños agregados y pares de iones separados en el electrolito de alta concentración localizada, una clase de electrolitos de vanguardia con un rendimiento líder en baterías hasta la fecha, abriendo un nuevo camino para el diseño de electrolitos.'

Es importante destacar que el nuevo electrolito diseñado por este equipo de investigación exhibe una reducción colectiva única en el ánodo de litio-metal. Esto significa que nubes de aniones en la estructura CIPA se reducen rápidamente (es decir, se descomponen) en la superficie del litio, formando compuestos inorgánicos como Li2O y LiF, así como una SEI delgada y estable, que a su vez suprime la constante descomposición del electrolito.

'Gracias al comportamiento único de transferencia colectiva de electrones, nuestro electrolito forma una SEI delgada y conformal con bajo contenido orgánico y rico en componentes inorgánicos con distribución uniforme, lo que puede promover el flujo homogéneo de iones de litio dentro de la SEI y la deposición de litio libre de dendritas,' dijo la Prof. Jiao. 'Esto conduce a una deposición de litio homogénea y compacta, que disminuye las áreas específicas del ánodo de litio-metal 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. La estabilización de esta interfaz, junto con la de la interfaz litio-electrolito, se encontró que 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 un nuevo camino para el diseño de electrolitos de baterías de litio-metal,' dijo la Prof. Jiao.

Para evaluar el potencial de su electrolito recién diseñado, los investigadores lo utilizaron para crear una celda de bolsa de litio-metal de 500 Wh/kg. En pruebas iniciales, se encontró que esta celda retenía el 91% de su energía después de operar durante 130 ciclos. En el futuro, este nuevo diseño de electrolito podría ser reproducido y probado por otros investigadores en todo el mundo, para evaluar aún más su potencial para extender la vida de las baterías de litio-metal.

'Ahora estamos planeando prolongar aún más la vida útil de ciclos de celdas de bolsa de litio-metal de 500 Wh/kg a más de 1,000 ciclos,' agregó la Prof. Jiao. 'Por otro lado, seguimos explorando el nuevo sistema de baterías para lograr una densidad de energía mucho mayor con una larga vida útil, como ≥ 600 Wh/kg con 100-200 ciclos. Todos estos estudios fundamentales de investigación científica son valiosos para materializar la implementación de baterías de litio-metal en muchas situaciones.'

Más información: Yulin Jie et al, Towards long-life 500 Wh kg−1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01565-z

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