Baterías de litio listas para el invierno: los científicos utilizan una estrategia de electrolitos "polaridad-contras" para superar el frío extremo
Las baterías de litio metálico conservan el 80% de su capacidad tras 150 ciclos a -40 °C
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Cuando las baterías de litio se enfrentan a un frío extremo, su rendimiento suele caer en picado, lo que supone un gran reto para el almacenamiento de energía, los vehículos eléctricos y la exploración aeroespacial. Ahora, científicos de China han encontrado una salida replanteando la "polaridad-contraste".
Un reciente estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society ha propuesto una estrategia de diseño de electrolitos de "polaridad-contraste" que puede mejorar eficazmente las características cinéticas y la estabilidad electroquímica de las baterías de litio metálico en condiciones extremas de baja temperatura.
El estudio, dirigido por los Profs. CHEN Zhongwei, LUO Dan y WANG Dongdong, del Instituto de Física Química de Dalian de la Academia China de las Ciencias, proporcionó un nuevo paradigma de diseño de electrolitos para construir estructuras de solvatación dominadas por aniones y resistentes a bajas temperaturas.
En condiciones de baja temperatura, las baterías de litio metálico se ven afectadas por la lentitud del transporte iónico en los electrolitos, el retraso de la cinética de desolvatación del Li+ y la intensificación de las reacciones secundarias interfaciales. Estos problemas provocan una grave degradación de la capacidad y una escasa estabilidad cíclica, lo que dificulta su aplicación en entornos extremos.
Para resolver estos problemas, el equipo de investigación propuso una estrategia de diseño de electrolitos de "polaridad-contraste". Esta estrategia construye una estructura de solvatación estable y dominada por aniones a bajas temperaturas modulando las interacciones iónico-dipolares entre aniones y disolventes.
Los investigadores identificaron un par de disolventes de "polaridad contrastada": el dimetoximetano (DMM), que tiene la ESPmax más baja, y el carbonato de fluoroetileno (FEC), que tiene la ESPmax más alta.
En concreto, la interacción debilitada entre DMM y FSI- a bajas temperaturas facilita la entrada de aniones en la vaina de solvatación del Li+. Mientras tanto, FEC ancla aún más a FSI- mediante interacciones ion-dipolo reforzadas, creando así un entorno de solvatación estable dominado por aniones en condiciones criogénicas. Además, las interacciones dipolo-dipolo reforzadas entre DMM y FEC promueven la cinética de desolvatación del Li+.
Mediante el ajuste preciso de las interacciones ión-dipolo y dipolo-dipolo, el equipo consiguió una transición de coordinación aniónica a bajas temperaturas, proporcionando un novedoso principio de diseño para electrolitos en baterías de litio metal de baja temperatura.
Utilizando esta estrategia, el electrolito induce la formación de una interfase de electrolito sólido rica en LiF, lo que permite la deposición uniforme de litio y un comportamiento altamente reversible de recubrimiento/extracción a bajas temperaturas.
La célula completa Li||SPAN retuvo el 80% de su capacidad tras 150 ciclos a -40 ℃, incluso a una capacidad areal elevada de 4,5 mAh/cm². Además, la célula de bolsa de nivel Ah mostró un ciclado estable durante 50 ciclos a -20 ℃, lo que demuestra una buena estabilidad de ciclado a baja temperatura y retención de la capacidad.
"Nuestro estudio no sólo revela un nuevo mecanismo subyacente a la evolución dinámica de las estructuras de solvatación en condiciones de baja temperatura, sino que también ofrece nuevas bases teóricas y estrategias de investigación para el diseño de electrolitos para baterías de litio-metal de baja temperatura", dijo CHEN.
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