Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de California en San Diego descubrió la causa raíz de por qué fallan las baterías de metal de litio: fragmentos de depósitos de metal de litio se desprenden de la superficie del ánodo durante la descarga y quedan atrapados como "muertos" o inactivoslitio al que la batería ya no puede acceder.
El descubrimiento, publicado el 21 de agosto en Naturaleza , desafía la creencia convencional de que las baterías de metal de litio fallan debido al crecimiento de una capa, llamada interfase de electrolitos sólidos SEI, entre el ánodo de litio y el electrolito. Los investigadores hicieron su descubrimiento al desarrollar una técnica para medir las cantidadesde especies de litio inactivas en el ánodo, el primero en el campo de la investigación de baterías, y estudiando sus micro y nanoestructuras.
Los hallazgos podrían allanar el camino para llevar al mercado baterías recargables de litio metálico.
"Al descubrir la principal causa subyacente de la falla de la batería de metal de litio, podemos idear racionalmente nuevas estrategias para resolver el problema", dijo el primer autor Chengcheng Fang, estudiante de doctorado en ciencias e ingeniería de materiales en la Universidad de California en San Diego"Nuestro objetivo final es habilitar una batería de litio metal comercialmente viable".
Las baterías de metal de litio, que tienen ánodos de metal de litio, son una parte esencial de la próxima generación de tecnologías de baterías. Prometen el doble de densidad de energía que las baterías de iones de litio actuales que generalmente tienen ánodos de grafito, por lo quepodría durar más y pesar menos. Esto podría duplicar el alcance de los vehículos eléctricos.
Pero un problema importante con las baterías de metal de litio es la baja eficiencia de Coulombic, lo que significa que se someten a un número limitado de ciclos antes de que dejen de funcionar. Esto se debe a que a medida que la batería funciona, sus reservas de litio activo y electrolito se agotan.
Los investigadores de baterías han sospechado durante mucho tiempo que esto se debe al crecimiento de la capa de interfase de electrolitos sólidos SEI entre el ánodo y el electrolito. Pero aunque los investigadores han desarrollado varias formas de controlar y estabilizar la capa de SEI, todavía no lo han hecho completamenteresolvió los problemas con las baterías de metal de litio, explicó el autor principal Y. Shirley Meng, profesora de nanoingeniería en UC San Diego.
"Las células aún fallan porque se está formando mucho litio inactivo en estas baterías. Por lo tanto, hay otro aspecto importante que se está pasando por alto", dijo Meng.
Los culpables, encontraron Meng, Fang y sus colegas, son depósitos de metal de litio que se desprenden del ánodo cuando la batería se está descargando y luego quedan atrapados en la capa SEI. Allí, pierden su conexión eléctrica al ánodo, convirtiéndose en litio inactivoque ya no puede circular a través de la batería. Este litio atrapado es en gran parte responsable de reducir la eficiencia de Coulombic de la célula.
Medición de los ingredientes del litio inactivo
Los investigadores identificaron al culpable creando un método para medir la cantidad de litio metal sin reaccionar que queda atrapado como litio inactivo. Se agrega agua a un matraz sellado que contiene una muestra de litio inactivo que se formó en una media celda ciclada.el litio metálico reacciona químicamente con el agua para producir hidrógeno gaseoso. Al medir la cantidad de gas producido, los investigadores pueden calcular la cantidad de litio metálico atrapado.
El litio inactivo también se compone de otro componente: los iones de litio, que son los componentes básicos de la capa SEI. Su cantidad también se puede calcular simplemente restando la cantidad de litio metálico sin reaccionar de la cantidad total de litio inactivo.
En las pruebas con semicélulas de litio metálico, los investigadores descubrieron que el litio metálico sin reaccionar es el ingrediente principal del litio inactivo. A medida que se forma más, más baja se reduce la eficiencia de Coulombic. Mientras tanto, la cantidad de iones de litio de la capa SEI consistentementepermanece bajo. Estos resultados se observaron en ocho electrolitos diferentes.
"Este es un hallazgo importante porque muestra que el producto de falla primaria de las baterías de litio metálico es el litio metálico sin reaccionar en lugar del SEI", dijo Fang. "Este es un método confiable para cuantificar los dos componentes del litio inactivo con ultra-alta precisión, que ninguna otra herramienta de caracterización ha podido hacer "
"La naturaleza química agresiva del metal de litio ha hecho que esta tarea sea muy desafiante. Las reacciones parasitarias de muchos tipos diferentes ocurren simultáneamente en el metal de litio, lo que hace casi imposible diferenciar estos diferentes tipos de litio inactivo", dijo Kang Xu, cuyo equipo enel Laboratorio de Investigación del Ejército de Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los Estados Unidos proporcionó una de las formulaciones de electrolitos avanzadas para probar el método: "La metodología avanzada establecida en este trabajo proporciona una herramienta muy poderosa para hacer esto de una manera precisa y confiable".
Los investigadores esperan que su método pueda convertirse en el nuevo estándar para evaluar la eficiencia en las baterías de litio metálico.
"Uno de los problemas que enfrentan los investigadores de baterías es que las condiciones de prueba son muy diferentes en los laboratorios, por lo que es difícil comparar datos. Es como comparar manzanas con naranjas. Nuestro método puede permitir a los investigadores determinar la cantidad de litio inactivo que se forma después de las pruebas electroquímicas,independientemente de qué tipo de electrolito o formato de celda usen ", dijo Meng.
Una mirada más cercana al litio inactivo
Al estudiar las micro y nanoestructuras de depósitos de litio en diferentes electrolitos, los investigadores responden a otra pregunta importante: por qué algunos electrolitos mejoran la eficiencia de Coulombic mientras que otros no.
La respuesta tiene que ver con la forma en que el litio se deposita en el ánodo cuando la celda se está cargando. Algunos electrolitos hacen que el litio forme micro y nanoestructuras que aumentan el rendimiento de la celda. Por ejemplo, en un electrolito especialmente diseñado por los colaboradores de Meng en General Motors,el litio se deposita como trozos densos en forma de columna. Este tipo de estructura hace que el litio metal menos reaccionado quede atrapado en la capa SEI como litio inactivo durante la descarga. El resultado es una eficiencia de Coulombic del 96 por ciento para el primer ciclo.
"Este excelente rendimiento se atribuye a la microestructura columnar formada en la superficie del colector de corriente con una tortuosidad mínima, lo que mejora significativamente la conexión estructural", dijo Mei Cai, cuyo equipo de General Motors desarrolló el electrolito avanzado que permitió que el litio se depositaracon la microestructura "ideal".
Por el contrario, cuando se usa un electrolito de carbonato comercial, el litio se deposita con una morfología retorcida y similar a un bigote. Esta estructura hace que más metal de litio quede atrapado en el SEI durante el proceso de extracción. La eficiencia de Coulombic disminuye al 85 por ciento.
Avanzando, el equipo propone estrategias para controlar el depósito y la extracción de metal de litio. Esto incluye aplicar presión sobre las pilas de electrodos; crear capas SEI que sean uniformes y mecánicamente elásticas; y usar colectores de corriente 3D.
"El control de la micro y nanoestructura es clave", dijo Meng. "Esperamos que nuestras ideas estimulen nuevas direcciones de investigación para llevar las baterías recargables de litio metálico al siguiente nivel".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Liezel Labios. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :