Sólido

Jul 11, 2023

Just_Super/iStock

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Investigadores de la Universidad de Bayreuth, Alemania, con socios de China, han logrado un avance significativo en la tecnología de baterías. Utilizando un innovador aditivo a base de nitrato, han desarrollado con éxito una nueva batería de litio-metal de estado sólido que es estable y potencialmente duradera. Esto, subraya el equipo de investigación, subraya la importancia del diseño molecular a la hora de crear aditivos eficaces para electrolitos en estado cuasi sólido.

El profesor doctor Francesco Ciucci, catedrático de diseño de electrodos para sistemas de energía electroquímica de la Universidad de Bayreuth, colaboró ​​con socios de investigación de China para resolver problemas de incompatibilidad entre el nitrato de litio y el 1,3-dioxolano (DOL) en electrolitos de baterías cuasi sólidas mediante la integración de un Nuevo aditivo a base de nitrato. Este es un avance significativo ya que, en el pasado, estos problemas de incompatibilidad hacían que tales baterías fueran muy difíciles de crear o escalar a producción.

El descubrimiento del equipo ahora permite el desarrollo de baterías de metal de litio de estado sólido que son altamente seguras, duraderas y fáciles de producir, manteniendo al mismo tiempo los métodos de fabricación utilizados para las baterías líquidas convencionales.

En sus experimentos, intentaron fabricar diferentes versiones de estas baterías y descubrieron que un tipo particular, la celda de litio-azufre (Li-S), funcionaba especialmente bien. Las baterías Li-S tienen potencial para tener una densidad de energía muy alta. Esto significa que pueden almacenar mucha energía en relación con su peso, lo que resulta especialmente valioso para aplicaciones como la aviación o los vehículos eléctricos, donde el peso importa. Aparte de la alta densidad de energía, el azufre es abundante y barato, lo que podría hacer que las baterías de Li-S sean más rentables en comparación con otras tecnologías de baterías si se abordan los desafíos técnicos.

Prof. Dr. Francesco Ciucci et al, 2023.

Pero, hasta ahora, las células Li-S han tenido un ciclo de vida y una estabilidad deficientes.

"La naturaleza de estado sólido de las baterías garantiza un alto nivel de seguridad y su fabricación sigue siendo sencilla", explicó el profesor Ciucci. "Demostramos la universalidad del enfoque mediante la creación de varios tipos de baterías de litio-metal. En particular, la celda de bolsa Li-S fabricada exhibe un rendimiento superior en comparación con las celdas de bolsa Li-S previamente documentadas", añadió.

El profesor Ciucci y su equipo de investigación introdujeron un nuevo aditivo, el dinitrato de trietilenglicol, que está diseñado específicamente para permitir la polimerización de DOL. El equipo de investigación demostró que, al mismo tiempo que la polimerización, la formación de una capa de interfase de electrolito sólido rica en nitrógeno suprime las reacciones parásitas perjudiciales y aumenta la eficiencia de la batería.

A partir de los resultados del estudio se desarrollaron varias celdas de batería. Entre ellas, las pilas tipo botón a escala de laboratorio podrían cargarse y descargarse más de 2.000 veces. También se fabricó una celda tipo bolsa de Li-S de 1,7 Ah con una alta densidad de energía de 304 Wh kg-1 y ciclos estables.

Este descubrimiento es un gran paso adelante en la tecnología de baterías. Muestra la importancia de diseñar moléculas correctamente para fabricar mejores baterías. "Este estudio subraya la importancia del diseño de la estructura molecular en la creación de aditivos eficaces para electrolitos de estado cuasi sólido. Representa un avance significativo en la viabilidad práctica de emplear electrolitos de estado cuasi sólido basados ​​en poli-DOL en baterías de metal de litio". explicó el profesor Ciucci.

Puede ver el estudio usted mismo en la revista Energy & Environmental Science.

Resumen del estudio:

La polimerización in situ de electrolitos de estado cuasi sólido (QSSE) está surgiendo como un enfoque prometedor para [desarrollar] baterías de litio-metal de estado cuasi sólido escalables, seguras y de alto rendimiento. En este contexto, los electrolitos basados ​​en poli-DOL son particularmente atractivos debido a su amplia ventana electroquímica y su fuerte compatibilidad con el litio metálico. Para mejorar la estabilidad del litio metálico, se añade con frecuencia LiNO3, ya que crea una interfase eficaz de electrolito sólido rico en Li3N en la superficie del ánodo de litio metálico. Sin embargo, LiNO3 previene la polimerización con apertura de anillo del DOL, lo que hace que los dos compuestos sean incompatibles. Para abordar este problema, este trabajo desarrolla dinitrato de trietilenglicol (TEGDN), un novedoso aditivo a base de nitrato, para reemplazar el LiNO3. Al igual que LiNO3, TEGDN forma una interfase de electrolito sólido densa y rica en nitrógeno en la superficie del litio, protegiéndolo de reacciones parásitas. Sin embargo, a diferencia del LiNO3, el TEGDN no interfiere con la polimerización del DOL, lo que permite la fabricación de un electrolito altamente eficaz que proporciona una conductividad iónica de 2,87 mS cm-1 y un potencial de estabilidad a la oxidación de 4,28 V a temperatura ambiente. Para demostrar la viabilidad de este enfoque, se fabrica una celda tipo moneda Li|LiFePO4 que realiza ciclos estables más de 2000 veces a 1 °C. Además, se prepara una celda de litio-azufre tipo bolsa de 1,7 Ah con una energía específica inicial de 304 W h kg-1 y una retención de capacidad del 79,9% después de 50 ciclos. En resumen, el presente estudio propuso un nuevo aditivo para resolver la incompatibilidad poli-DOL y LiNO3 por primera vez desarrollando baterías polimerizadas in situ de estado cuasi sólido que exhiben una capacidad y estabilidad notables al formar una interfase de electrolito sólido rica en N.