Los científicos han descubierto que agregar una pizca de algo nuevo al electrolito de una batería les da a los dispositivos de almacenamiento de energía más jugo por carga que las baterías recargables de uso común de la actualidad.
Una nueva investigación en etapas iniciales muestra que agregar una pequeña cantidad del hexafluorofosfato de litio químico a un electrolito a base de solvente de carbonato de doble sal puede hacer que las baterías recargables de litio-metal sean estables, se carguen rápidamente y tengan un alto voltaje.
"Una buena batería de litio-metal tendrá la misma vida útil que las baterías de iones de litio que alimentan los autos eléctricos y los dispositivos eléctricos de consumo actuales, pero también almacenan más energía para que podamos conducir más tiempo entre cargas", dijo el químico Wu Xu deLaboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. Xu es un autor correspondiente en un artículo publicado hoy en la revista Energía natural .
Conceptos básicos de la batería
La mayoría de las baterías recargables utilizadas hoy en día son baterías de iones de litio, que tienen dos electrodos: uno que está cargado positivamente y contiene litio, y otro negativo que generalmente está hecho de grafito. La electricidad se genera cuando los electrones fluyen a través de un cable que conectados.
Para controlar los electrones, los átomos de litio cargados positivamente se transportan de un electrodo a otro a través de otro camino, la solución de electrolitos en la que se encuentran los electrodos. Pero el grafito no puede almacenar mucha energía, lo que limita la cantidad de energía que una batería de iones de litiopuede proporcionar teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos.
Cuando las baterías recargables a base de litio se desarrollaron por primera vez en la década de 1970, los investigadores utilizaron litio metálico para el electrodo negativo, llamado ánodo. El litio fue elegido porque tiene diez veces más capacidad de almacenamiento de energía que el grafito. El problema era que el transporte de litioEl electrolito reaccionó con el ánodo de litio. Esto provocó que crecieran nanopartículas de litio microscópicas y ramas llamadas dendritas en la superficie del ánodo, y provocó el fallo de las primeras baterías.
Muchos han ajustado las baterías recargables a lo largo de los años en un intento de resolver el problema de la dendrita. Los investigadores cambiaron a otros materiales como el grafito para el ánodo. Los científicos también han recubierto los ánodos con capas protectoras, mientras que otros han creado aditivos electrolíticos. Algunas soluciones eliminarondendritas pero también resultaron en baterías poco prácticas con poca potencia. Otros métodos solo desaceleraron, pero no detuvieron, el crecimiento de las dendritas.
almacenamiento de próxima generación
Pensando que las baterías de iones de litio recargables de hoy en día con ánodos de grafito podrían estar cerca de su capacidad de energía máxima, PNNL está echando otro vistazo al diseño anterior con metal de litio como ánodo. Xu y sus colegas fueron parte de una investigación anterior de PNNL que buscaba un mejor rendimientoelectrolitos. Los electrolitos que probaron produjeron una batería que no tenía dendritas problemáticas y era súper eficiente pero cargada muy lentamente y no podía funcionar en baterías de alto voltaje, o una batería de carga más rápida que era inestable y tenía bajos voltajes.
Luego, intentaron agregar pequeñas cantidades de una sal que ya se usa en baterías de iones de litio, hexafluorofosfato de litio, a su electrolito de carga rápida. Combinaron el electrolito recién exprimido con un ánodo de litio y un óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto de cobaltocátodo. Resultó ser una combinación ganadora, que resultó en una batería rápida, eficiente y de alto voltaje.
El aditivo permitió una batería de 4.3 voltios que retuvo más del 97 por ciento de su carga inicial después de 500 cargas y descargas repetidas, mientras transportaba 1.75 miliamperios de corriente eléctrica por centímetro cuadrado de área. La batería tardó aproximadamente una hora en cargarse por completo..
Protección económica
La batería funcionó bien en gran medida porque el aditivo ayuda a crear una capa protectora robusta de polímeros de carbonato en el ánodo de litio de la batería. Esta capa delgada evita que el litio se use en reacciones secundarias no deseadas, que pueden matar una batería.
Y, dado que el aditivo ya es un componente establecido de las baterías de iones de litio, está fácilmente disponible y es relativamente económico. Las pequeñas cantidades necesarias, solo el 0. 6 por ciento del electrolito en peso, también deberían reducir aún más el costo del electrolito..
Xu y su equipo continúan evaluando varias formas de hacer viables las baterías recargables de litio-metal, incluida la mejora de electrodos, separadores y electrolitos. Los siguientes pasos específicos incluyen la fabricación y prueba de grandes cantidades de sus electrolitos, mejorando aún más la eficiencia y la retención de capacidad de unbatería de litio-metal usando su electrolito, aumentando la carga de material en el cátodo y probando un ánodo más delgado.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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