Una capa de fósforo rojo en las baterías recargables de metal de litio puede indicar cuándo las dendritas dañinas amenazan con crear un cortocircuito. La técnica desarrollada en la Universidad de Rice podría conducir a baterías de metal de litio más potentes. Crédito:Tour Group / Rice University
Los científicos de la Universidad de Rice han dado el siguiente paso hacia el despliegue de poderosos baterías recargables de metal de litio haciéndolas más seguras y sencillas de fabricar.
El laboratorio de Rice del químico James Tour fabricó celdas de prueba con una capa de fósforo rojo en el separador que mantiene separados los electrodos del ánodo y del cátodo. El fósforo actúa como espía para los sistemas de gestión utilizados para cargar y monitorear baterías al detectar la formación de dendritas, protuberancias de litio que pueden hacer que fallen.
Los ánodos de metal de litio se cargan mucho más rápido y retienen aproximadamente 10 veces más energía por volumen que los ánodos de iones de litio comunes que se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos del mercado. incluidos teléfonos móviles y coches eléctricos. Los ánodos son uno de los dos electrodos necesarios para el funcionamiento con batería.
Pero cargar ánodos infundidos con litio forma dendritas que, si llegan al cátodo, provocar un cortocircuito y posiblemente un incendio o una explosión. Cuando una dendrita alcanza un separador recubierto de fósforo rojo, el voltaje de carga de la batería cambia. Eso le dice al sistema de gestión de la batería que deje de cargarse.
A diferencia de otros detectores de dendrita propuestos, la estrategia de Rice no requiere un tercer electrodo.
"Fabricar baterías con un tercer electrodo es muy difícil, "Dijo Tour." Proponemos una capa estática que da un pico en el voltaje mientras la batería se está cargando. Ese pico es una señal para apagarlo ".
La investigación aparece en Materiales avanzados .
Las imágenes de una batería de metal de litio de media celda muestran dendritas acercándose a un separador de fósforo rojo. El separador envía una señal a la electrónica de la batería para que se apague cuando las dendritas amenazan con crear un cortocircuito. El descubrimiento realizado por científicos de la Universidad de Rice podría ayudar a que las baterías de litio sean más seguras. Crédito:Tour Group / Rice University
La capa de fósforo rojo no tuvo un efecto significativo sobre el rendimiento normal en experimentos con baterías de prueba del laboratorio Tour.
Los investigadores construyeron una celda de prueba transparente con un electrolito (el material líquido o similar a un gel entre los electrodos y alrededor del separador que permite que la batería genere una corriente) que se sabe que acelera el envejecimiento del cátodo y estimula el crecimiento de dendritas. Eso les permitió controlar el voltaje mientras veían crecer las dendritas.
Con un separador ordinario, vieron las dendritas entrar en contacto y penetrar el separador sin cambios en el voltaje, una situación que haría fallar una batería normal. Pero con la capa de fósforo rojo, observaron una fuerte caída de voltaje cuando las dendritas entraron en contacto con el separador.
"Tan pronto como una dendrita en crecimiento toca el fósforo rojo, da una señal en el voltaje de carga, ", Dijo Tour." Cuando el sistema de gestión de la batería detecta eso, puede decir 'Deja de cargar, no lo use '".
El año pasado, el laboratorio introdujo películas de nanotubos de carbono que parecen detener por completo el crecimiento de dendrita de los ánodos de metal de litio.
"Al combinar los dos avances recientes, se puede mitigar el crecimiento de las dendritas de litio, y existe una póliza de seguro interna de que la batería se apagará en el improbable caso de que incluso una sola dendrita comience a crecer hacia el cátodo, "Dijo Tour.
"Literalmente, cuando haces una batería nueva, estás ganando más de mil millones de ellos, ", dijo." ¿Podrían fallar un par de esos? Solo se necesitan unos pocos incendios para que la gente se ponga realmente ansiosa. Nuestro trabajo proporciona una garantía adicional para la seguridad de las baterías. Estamos proponiendo otra capa de protección que debería ser fácil de implementar ".
