09.11.2020 - Columbia University

Una nueva técnica amplía las baterías de metal de litio de nueva generación

El Discovery podría optimizar el diseño de electrolitos para las baterías estables de metal de litio, permitiendo el almacenamiento de energía ligera, de bajo costo y de larga duración.

Los vehículos eléctricos (EV) son muy prometedores para nuestro futuro sostenible y de bajo consumo energético, pero entre sus limitaciones se encuentra la falta de una batería de larga duración y alta densidad energética que reduzca la necesidad de repostar en los viajes de larga distancia. Lo mismo ocurre con las casas durante los apagones y los fallos de la red eléctrica: todavía no existen baterías pequeñas y eficientes capaces de alimentar una casa durante más de una noche sin electricidad. La próxima generación de baterías de litio que ofrecen un almacenamiento de energía ligero, duradero y de bajo costo podría revolucionar la industria, pero ha habido una serie de desafíos que han impedido el éxito de su comercialización.

Una cuestión importante es que, si bien los ánodos metálicos de litio recargables desempeñan un papel fundamental en el buen funcionamiento de esta nueva ola de baterías de litio, durante su funcionamiento son muy susceptibles al crecimiento de dendritas, microestructuras que pueden provocar peligrosos cortocircuitos, prenderse fuego e incluso explotar.

Los investigadores de Columbia Engineering informan que han encontrado que los aditivos de metales alcalinos, como los iones de potasio, pueden prevenir la proliferación de la microestructura del litio durante el uso de la batería. Utilizaron una combinación de microscopía, resonancia magnética nuclear (similar a una resonancia magnética) y modelado computacional para descubrir que al agregar pequeñas cantidades de sal de potasio a un electrolito de batería de litio convencional se produce una química única en la interfaz litio/electrolito.

"Específicamente, encontramos que los iones de potasio mitigan la formación de compuestos químicos indeseables que se depositan en la superficie del metal de litio e impiden el transporte de iones de litio durante la carga y descarga de la batería, limitando en última instancia el crecimiento microestructural", dice la investigadora del equipo, Lauren Marbella, profesora adjunta de ingeniería química.

El descubrimiento de su equipo de que los aditivos de metales alcalinos suprimen el crecimiento de compuestos no conductores en la superficie del metal de litio difiere de los enfoques tradicionales de manipulación de electrolitos, que se han centrado en depositar polímeros conductores en la superficie del metal. El trabajo es una de las primeras caracterizaciones en profundidad de la química de la superficie del metal de litio mediante RMN, y demuestra la potencia de esta técnica para diseñar nuevos electrolitos para el metal de litio. Los resultados de Marbella se complementaron con los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) realizados por los colaboradores del grupo Viswanathan de ingeniería mecánica de la Universidad Carnegie Mellon.

"Los electrolitos comerciales son un cóctel de moléculas cuidadosamente seleccionadas", señala Marbella. "Usando RMN y simulaciones por ordenador, podemos finalmente entender cómo estas formulaciones únicas de electrolitos mejoran el rendimiento de la batería de metal de litio a nivel molecular. Este conocimiento da a los investigadores las herramientas necesarias para optimizar el diseño de los electrolitos y permitir la estabilidad de las baterías de litio-metal".

El equipo está probando ahora aditivos de metal alcalino que detienen la formación de capas superficiales nocivas en combinación con aditivos más tradicionales que fomentan el crecimiento de capas conductoras en el metal de litio. También están utilizando activamente la RMN para medir directamente la velocidad de transporte del litio a través de esta capa.

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