23.04.2020 - University of Maryland

Un electrolito de alto rendimiento resuelve un rompecabezas de la batería

Las baterías de iones de litio ya se han convertido en una parte integral de nuestra vida cotidiana. Sin embargo, nuestra sociedad, ávida de energía, exige una vida más larga, una carga más rápida y baterías más ligeras para una variedad de aplicaciones, desde vehículos eléctricos hasta electrónica portátil, incluyendo el aligeramiento de la carga que lleva un soldado a medida que numerosos aparatos electrónicos son adoptados por el Ejército.

¿Podemos acercarnos a unas baterías tan ligeras y de carga más rápida? La generación actual de baterías de iones de litio utiliza como ánodo el grafito, que tiene una capacidad relativamente baja, y podría ser reemplazado por un ánodo de silicio de alta capacidad y bajo impacto ambiental. Esta es una dirección muy prometedora para la investigación, aunque difícil de alcanzar, ya que las baterías con ánodos de silicio con un gran tamaño de partícula tienden a tener una vida más corta, generalmente menos de 50 ciclos. Cuando los investigadores intentaron utilizar nanopartículas de silicio, aluminio y bismuto, descubrieron que estos ánodos de aleación de tamaño nanométrico todavía sufren una vida de ciclo corto y un alto costo. Chunsheng Wang y sus colegas pueden haber encontrado una nueva dirección para arreglar este problema de degradación: el electrolito.

El equipo de la Universidad de Maryland y el Laboratorio de Investigación del Ejército han creado un electrolito que forma una capa protectora sobre el silicio, que es estable y resiste la hinchazón que se produce en las partículas del ánodo de silicio. El nuevo electrolito - diseñado racionalmente con los principios subyacentes en su lugar - da a las partículas del ánodo espacio para que el Si se hinche en la visión de la capa protegida. Los resultados se publicaron en la revista Nature Energy el 20 de abril de 2020.

El Dr. Ji Chen, autor principal del artículo del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Maryland, dijo: "Nuestra investigación demuestra que es práctico y posible reciclar de forma estable partículas de silicio, aluminio y bismuto como ánodos de baterías de iones de litio, simplemente con un electrolito diseñado racionalmente, lo que antes se consideraba inalcanzable".

"La densidad de energía de la batería está determinada por los electrodos, mientras que el rendimiento de la batería está controlado críticamente por los electrolitos. Los electrolitos diseñados permiten el uso de ánodos de aleación de microtamaño, lo que mejorará significativamente la densidad de energía de la batería", dijo el Dr. Xiulin Fan, un co-autor de la Universidad de Maryland, y ahora profesor de la Universidad de Zhejiang, China.

"Los esfuerzos actuales, mediante la combinación de modelado molecular y experimental, proporcionaron un camino claro hacia una nueva dirección para diseñar racionalmente los electrolitos que permiten una larga vida de ciclo para los ánodos de silicio de alta capacidad, abriendo un camino para el desarrollo de baterías de alta energía para un guerrero", dijo el Dr. Oleg Borodin, un colaborador del Laboratorio de Investigación del Ejército.

El diseño actual del electrolito para los ánodos de silicón tiene como objetivo formar una capa de polímero uniforme llamada la interfaz de electrolito sólido o SEI que es flexible y se une fuertemente con el silicio. Sin embargo, la fuerte unión entre el polímero SEI y el silicio obliga a que el SEI tenga el mismo cambio de volumen que las partículas del ánodo, por lo que tanto las partículas como el SEI se agrietan durante el funcionamiento de la batería.

"Tras una extensa investigación sobre los electrodos de silicio, la comunidad de baterías ha llegado a un consenso en cuanto a que los ánodos de silicio de tamaño micro no pueden utilizarse en las baterías comerciales de iones de litio", dijo Chunsheng Wang, profesor de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Maryland. "Hemos evitado con éxito el daño del SEI formando un SEI de cerámica que tiene una baja afinidad con las partículas de silicio litado, de modo que el silicio litado puede reubicarse en la interfaz durante el cambio de volumen sin dañar el SEI". El principio de diseño del electrolito es universal para todos los ánodos de aleación, y abre una nueva oportunidad para desarrollar baterías de alta energía".

Aún quedan desafíos para la comercialización del electrolito, la ventana de voltaje de 4.2V aún debe ser expandida, dijo Wang.

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