Baterías de litio de alta energía inspiradas en las alas de una libélula
Electrolito polimérico solidificado in situ mecánicamente robusto para ánodos basados en SiOx
En la búsqueda de baterías de iones de litio (LIB) de mayor densidad energética, los investigadores exploran constantemente soluciones innovadoras para mejorar el rendimiento de los ánodos basados en SiOx. Un reciente artículo publicado en Nano-Micro Lettersdel profesor Guanglei Cui y el profesor Huanrui Zhang, del Instituto de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de Qingdao, de la Academia China de las Ciencias, presenta un innovador electrolito polimérico inspirado en la microestructura de las alas de las libélulas, que ofrece unas propiedades mecánicas y un rendimiento electroquímico superiores.
Por qué es importante esta investigación
- Estabilidad electroquímica mejorada: Los ánodos basados en SiOx son conocidos por su elevada capacidad específica teórica, lo que los hace atractivos para las LIB de alta densidad energética. Sin embargo, su importante cambio de volumen y el rápido deterioro de su capacidad durante los ciclos plantean problemas para las aplicaciones prácticas. Este estudio introduce un electrolito polimérico (PPM-PE) que suprime eficazmente estos problemas mediante la formación de una interfase de electrolito sólido (SEI) estable y la reducción de la descomposición del electrolito.
- Propiedades mecánicas mejoradas: El PPM-PE, inspirado en la estructura de separación de fases de las alas de las libélulas, presenta excelentes propiedades mecánicas, como un elevado alargamiento a la rotura y resistencia a la rotura. Estas propiedades ayudan a mitigar la expansión de volumen de los electrodos de SiOx y a mantener la integridad estructural durante los ciclos.
- Potencial para aplicaciones prácticas: El PPM-PE permite mejoras significativas tanto en el rendimiento del ciclo como en el de la tasa en pilas completas de tipo botón y de paquete blando con electrodos basados en SiOx, lo que demuestra su potencial para el uso práctico en LIBs de alta densidad energética.
Diseño y mecanismos innovadores
- Microestructura inspirada en las alas de libélula: El PPM-PE está diseñado con una estructura de micro-separación de fases que imita la fase de vena rígida del ala y la fase de membrana blanda del ala de la libélula. Esta estructura se consigue mediante la polimerización in situ de ésteres bicíclicos de fosfato y monómeros con motivos de uretano (PU) y metacrilato de metilo (MMA) en un electrolito orgánico líquido. Los segmentos de PU y los motivos de MMA forman una red polimérica tridimensional que amortigua las tensiones y estabiliza el SEI.
- Propiedades mecánicas superiores: Las películas PPM-PE presentan un alargamiento a la rotura del 161% y una resistencia a la rotura de 1,58 MPa, superando significativamente a otros electrolitos poliméricos. Esta robustez mecánica ayuda a soportar los cambios de volumen de los electrodos de SiOx y a mantener un SEI estable durante los ciclos.
- Rendimiento electroquímico mejorado: El PPM-PE muestra un elevado número de transferencia de litio (tLi+) de 0,57 y una resistencia a la oxidación superior a 5,25 V, lo que contribuye a una cinética de reacción electroquímica más rápida y a un mejor rendimiento de la tasa. La capa SEI reforzada con polímeros y rica en LiF estabiliza aún más la estructura del electrodo y reduce la descomposición del electrolito.
Aplicaciones y perspectivas de futuro
- BIBs de alta densidad energética: El PPM-PE demuestra un excelente rendimiento electroquímico en semiceldas basadas en SiOx y en celdas completas de paquete blando, con una retención de la capacidad del 88,14% tras 148 ciclos a una velocidad de 1C y del 80,81% tras 250 ciclos a una velocidad de 0,4C. Estos resultados ponen de manifiesto el potencial del PPM-PE para aplicaciones prácticas en LIBs de alta densidad energética.
- Investigación futura: El trabajo futuro se centrará en optimizar aún más el diseño del electrolito polimérico para mejorar su rendimiento y explorar su aplicación en otros tipos de baterías de alta densidad energética. La filosofía de diseño inspirada en las alas de libélula también podría aplicarse a otros materiales y sistemas de baterías para mejorar sus propiedades mecánicas y electroquímicas.
Este innovador electrolito polimérico, inspirado en la microestructura de las alas de libélula, representa un importante paso adelante en el desarrollo de ánodos de SiOx de alto rendimiento para baterías de iones de litio. Estén atentos a más investigaciones revolucionarias del equipo de los profesores Guanglei Cui y Huanrui Zhang, que siguen ampliando los límites de la tecnología de almacenamiento de energía.
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Publicación original
Cizhen Luo, Huanrui Zhang, Chenghao Sun, Xing Chen, Wenjun Zhang, Pengzhou Mu, Gaojie Xu, Rongxian Wu, Zhaolin Lv, Xinhong Zhou, Guanglei Cui; "A Mechanically Robust In-Situ Solidified Polymer Electrolyte for SiOx-Based Anodes Toward High-Energy Lithium Batteries"; Nano-Micro Letters, Volume 17, 2025-5-8
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