El uso de un electrolito novedoso podría permitir electrodos metálicos avanzados y voltajes más altos, aumentando la capacidad y el ciclo de vida.
Las baterías de iones de litio han hecho posible los dispositivos electrónicos livianos cuya portabilidad ahora damos por sentada, así como la rápida expansión de la producción de vehículos eléctricos. Pero los investigadores de todo el mundo continúan presionando los límites para lograr densidades de energía cada vez mayores, la cantidad de energía que se puede almacenar en una masa determinada de material, con el fin de mejorar el rendimiento de los dispositivos existentes y potencialmente habilitar nuevas aplicaciones de drones y robots.
Un enfoque prometedor es el uso de electrodos metálicos en lugar del grafito convencional, con un voltaje de carga más alto en el cátodo. Sin embargo, esos esfuerzos se han visto obstaculizados por una variedad de reacciones químicas no deseadas que tienen lugar con el electrolito que separa los electrodos.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT y otros lugares ha encontrado un electrolito novedoso que supera estos problemas y podría permitir un salto significativo en la potencia por peso de las baterías de próxima generación, sin sacrificar el ciclo de vida.
La investigación aparece en la revista Nature Energy en un artículo de los profesores del MIT Ju Li, Yang Shao-Horn y Jeremiah Johnson; postdoctorado Weijiang Xue; y otros 19 en el MIT, dos laboratorios nacionales y otros lugares.
Los investigadores dicen que el hallazgo podría hacer posible que las baterías de iones de litio, que ahora normalmente pueden almacenar alrededor de 260 vatios-hora por kilogramo, almacenen alrededor de 420 vatios-hora por kilogramo. Eso se traduciría en rangos más largos para los autos eléctricos y cambios más duraderos en los dispositivos portátiles.
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| Las imágenes de tomografía de rayos X tomadas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven muestran el agrietamiento de una partícula en un electrodo de una celda de batería que usaba un electrolito convencional (como se ve a la izquierda). Los investigadores encontraron que el uso de un electrolito novedoso previno la mayor parte de este agrietamiento (derecha). Fuente: Laboratorio Nacional de Brookhaven. |
Las materias primas básicas para este electrolito son económicas (aunque uno de los compuestos intermedios sigue siendo costoso porque tiene un uso limitado) y el proceso para fabricarlo es simple. Entonces, este avance podría implementarse con relativa rapidez, dicen los investigadores.
El electrolito en sí no es nuevo, explica Johnson, profesor de química. Fue desarrollado hace unos años por algunos miembros de este equipo de investigación, pero para una aplicación diferente. Fue parte de un esfuerzo por desarrollar baterías de litio-aire, que se consideran la solución definitiva a largo plazo para maximizar la densidad de energía de la batería. Pero todavía hay muchos obstáculos que enfrenta el desarrollo de tales baterías, y esa tecnología aún puede estar dentro de varios años. Mientras tanto, aplicar ese electrolito a baterías de iones de litio con electrodos metálicos resulta ser algo que se puede lograr mucho más rápidamente.
“Todavía no hay nada que permita una buena batería de litio-aire recargable”, dice Johnson. Sin embargo, "diseñamos estas moléculas orgánicas que esperábamos que pudieran conferir estabilidad, en comparación con los electrolitos líquidos existentes que se utilizan". Desarrollaron tres formulaciones diferentes basadas en sulfonamidas, que encontraron que eran bastante resistentes a la oxidación y otros efectos de degradación.
El tipo de electrodo de batería que ahora han usado con este electrolito, un óxido de níquel que contiene algo de cobalto y manganeso, "es el caballo de batalla de la industria de vehículos eléctricos actual".
Debido a que el material del electrodo se expande y contrae de forma anisotrópica a medida que se carga y descarga, esto puede provocar grietas y una falla en el rendimiento cuando se usa con electrolitos convencionales. Pero en experimentos en colaboración con el Laboratorio Nacional de Brookhaven, los investigadores encontraron que el uso del nuevo electrolito redujo drásticamente estas degradaciones por agrietamiento por corrosión bajo tensión.
El problema era que los átomos de metal de la aleación tendían a disolverse en el electrolito líquido, perdiendo masa y provocando el agrietamiento del metal. Por el contrario, el nuevo electrolito es extremadamente resistente a dicha disolución. Al observar los datos de las pruebas de Brookhaven, Li dice, fue "algo impactante ver que, si solo cambia el electrolito, entonces todas estas grietas desaparecen". Descubrieron que la morfología del material electrolítico es mucho más robusta y que los metales de transición "simplemente no tienen tanta solubilidad" en estos nuevos electrolitos.
Esa fue una combinación sorprendente, dice, porque el material todavía permite que los iones de litio pasen fácilmente, el mecanismo esencial por el cual las baterías se cargan y descargan, mientras bloquea la entrada de otros cationes, conocidos como metales de transición. La acumulación de compuestos no deseados en la superficie del electrodo después de muchos ciclos de carga y descarga se redujo más de diez veces en comparación con el electrolito estándar.
El electrolito es químicamente resistente contra la oxidación de materiales ricos en níquel de alta energía, lo que evita la fractura de partículas y estabiliza el electrodo positivo durante el ciclo. El electrolito también permite el decapado y el enchapado estable y reversible del metal de litio, un paso importante hacia la habilitación de baterías recargables de metal de litio con una energía dos veces mayor que la de las baterías de iones de litio de última generación.
Este hallazgo catalizará una mayor búsqueda de electrolitos y diseños de electrolitos líquidos para baterías de metal de litio que compitan con las de electrolitos de estado sólido.
El siguiente paso es escalar la producción para que sea asequible, lo que ayudará a reducir el precio. Debido a que esto es esencialmente un reemplazo "directo" de un electrolito existente y no requiere rediseñar todo el sistema de baterías, podría implementarse rápidamente y comercializarse en un par de años. No hay elementos costosos, es solo carbono y flúor. Así que no está limitado por los recursos, es solo el proceso.
Fuente: “Ultra-high-voltage Ni-rich layered cathodes in practical Li metal batteries enabled by a sulfonamide-based electrolyte” by Weijiang Xue, Mingjun Huang, Yutao Li, Yun Guang Zhu, Rui Gao, Xianghui Xiao, Wenxu Zhang, Sipei Li, Guiyin Xu, Yang Yu, Peng Li, Jeffrey Lopez, Daiwei Yu, Yanhao Dong, Weiwei Fan, Zhe Shi, Rui Xiong, Cheng-Jun Sun, Inhui Hwang, Wah-Keat Lee, Yang Shao-Horn, Jeremiah A. Johnson and Ju Li, Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-021-00792-y
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