El gran desafío para mejorar el almacenamiento de energía y aumentar la vida útil de la batería, al tiempo que garantiza un funcionamiento seguro, es cada vez más crítico a medida que dependemos cada vez más de esta fuente de energía para todo, desde dispositivos portátiles hasta vehículos eléctricos. Un equipo de Columbia Engineering dirigido por Yuan Yang,profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, anunció hoy que han desarrollado un nuevo método para prolongar de manera segura la vida útil de la batería mediante la inserción de un nano-recubrimiento de nitruro de boro BN para estabilizar electrolitos sólidos en baterías de metal de litio. Sus hallazgos se resumen en un nuevoestudio publicado por julio .
Si bien las baterías convencionales de iones de litio Li-ion se usan ampliamente en la vida diaria, tienen una baja densidad de energía, lo que resulta en una vida útil más corta de la batería y, debido al electrolito líquido altamente inflamable en su interior, pueden cortocircuitar e inclusoprenderse fuego. La densidad de energía podría mejorarse utilizando metal de litio para reemplazar el ánodo de grafito utilizado en las baterías de iones de litio: la capacidad teórica del metal de litio para la cantidad de carga que puede entregar es casi 10 veces mayor que la del grafito. Pero durante el revestimiento de litio, a menudo se forman dendritas y si penetran en el separador de membrana en el medio de la batería, pueden crear cortocircuitos, lo que genera preocupaciones sobre la seguridad de la batería.
"Decidimos centrarnos en electrolitos cerámicos sólidos. Son muy prometedores para mejorar tanto la seguridad como la densidad de energía, en comparación con los electrolitos inflamables convencionales en las baterías de iones de litio", dice Yang. "Estamos particularmente interesados en los sólidos recargablesbaterías de litio estatales porque son candidatos prometedores para el almacenamiento de energía de la próxima generación ".
La mayoría de los electrolitos sólidos son cerámicos y, por lo tanto, no son inflamables, lo que elimina los problemas de seguridad. Además, los electrolitos cerámicos sólidos tienen una alta resistencia mecánica que puede suprimir el crecimiento de la dendrita de litio, lo que hace que el metal de litio sea una opción de recubrimiento para los ánodos de batería.los electrolitos sólidos son inestables contra el Li: pueden ser fácilmente corroídos por el metal de litio y no pueden usarse en baterías.
"El metal de litio es indispensable para mejorar la densidad de energía y, por lo tanto, es fundamental que podamos usarlo como ánodo para electrolitos sólidos", dice Qian Cheng, autor principal del artículo y científico de investigación postdoctoral en el departamento de física aplicada ymatemática aplicada que trabaja en el grupo de Yang. "Para adaptar estos electrolitos sólidos inestables para aplicaciones de la vida real, necesitábamos desarrollar una interfaz química y mecánicamente estable para proteger estos electrolitos sólidos contra el ánodo de litio. Es esencial que la interfaz no solo seaaltamente aislante electrónicamente, pero también iónicamente conductor para transportar iones de litio. Además, esta interfaz debe ser súper delgada para evitar reducir la densidad de energía de las baterías ".
Para abordar estos desafíos, el equipo trabajó con colegas del Brookhaven National Lab y la Universidad de la Ciudad de Nueva York. Depositaron nanopelículas de nitruro de boro BN de 5 ~ 10 nm como capa protectora para aislar el contacto eléctrico entre el metal de litioy el conductor iónico el electrolito sólido, junto con una cantidad traza de polímero o electrolito líquido para infiltrarse en la interfaz electrodo / electrolito. Seleccionaron BN como capa protectora porque es química y mecánicamente estable con litio metálico, proporcionando un alto gradode aislamiento electrónico. Diseñaron la capa de BN para tener defectos intrínsecos, a través de los cuales los iones de litio pueden pasar, permitiendo que sirva como un excelente separador. Además, BN puede prepararse fácilmente por deposición química de vapor para formar a gran escala ~dm level, escala atómicamente delgada ~ nm level y películas continuas.
"Si bien los estudios anteriores utilizaron capas de protección poliméricas de hasta 200 μm, nuestra película protectora BN, de solo 5 ~ 10 nm de espesor, es delgada como un récord, en el límite de dichas capas de protección, sin disminuir la densidad de energíade baterías ", dice Cheng." Es el material perfecto para funcionar como una barrera que evita la invasión del metal de litio al electrolito sólido. Al igual que un chaleco antibalas, hemos desarrollado un 'chaleco' a prueba de metal de litio para inestableselectrolitos sólidos y, con esa innovación, lograron baterías de litio metal de larga vida útil ".
Los investigadores ahora están ampliando su método a una amplia gama de electrolitos sólidos inestables y optimizan aún más la interfaz. Esperan fabricar baterías de estado sólido con alto rendimiento y vidas de ciclo largo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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