Las mejoras en una clase de electrolito de batería que se introdujo por primera vez en 2017 (electrolitos de gas licuado) podrían allanar el camino hacia un avance de alto impacto y buscado durante mucho tiempo para las baterías recargables:reemplazar el ánodo de grafito por un ánodo de metal de litio.

La investigación, publicado el 1 de julio de 2019 por la revista Joule , se basa en las innovaciones reportadas por primera vez en Ciencias en 2017 por el mismo grupo de investigación de la Universidad de California en San Diego y la spinout universitaria South 8 Technologies.

Encontrar formas rentables de reemplazar el ánodo de grafito en las baterías comerciales de iones de litio es de gran interés porque podría conducir a baterías más livianas capaces de almacenar más carga. a través de un aumento del 50 por ciento en la densidad de energía a nivel celular. El aumento de la densidad de energía vendría de una combinación de factores que incluyen la alta capacidad específica del ánodo de litio-metal, bajo potencial electroquímico, y peso ligero (baja densidad).

Como resultado, el cambio a ánodos de metal de litio ampliaría significativamente la gama de vehículos eléctricos y reduciría el costo de las baterías utilizadas para el almacenamiento en la red, explicó la profesora de nanoingeniería de UC San Diego Shirley Meng, un autor correspondiente en el nuevo artículo en Joule .

Sin embargo, hacer el cambio conlleva desafíos técnicos. El principal obstáculo es que los ánodos de metal de litio no son compatibles con los electrolitos convencionales. Surgen dos problemas de larga data cuando estos ánodos se emparejan con electrolitos convencionales:baja eficiencia cíclica y crecimiento de dendritas.

Entonces, el enfoque de Meng y sus colegas fue cambiar a un electrolito más compatible, llamados electrolitos de gas licuado.

Electrolitos de gas licuado en acción

Uno de los aspectos tentadores de estos electrolitos de gas licuado es que funcionan tanto a temperatura ambiente como a temperaturas extremadamente bajas. hasta menos 60 C. Estos electrolitos están hechos de disolventes gaseosos licuados, gases que se licuan bajo presiones moderadas, que son mucho más resistentes a la congelación que los electrolitos líquidos estándar.

En el artículo de 2019 en Joule , los investigadores informan sobre cómo, a través de estudios experimentales y computacionales, mejoran su comprensión de algunas de las deficiencias de la química de los electrolitos del gas licuado. Con este conocimiento, pudieron adaptar sus electrolitos de gas licuado para mejorar el rendimiento en métricas clave para ánodos de metal de litio, tanto a temperatura ambiente como a menos 60 C.

En pruebas de media celda de metal de litio, el equipo informa que la eficiencia cíclica del ánodo (eficiencia Coulombic) fue del 99,6 por ciento para 500 ciclos de carga a temperatura ambiente. Esto es superior al 97,5 por ciento de eficiencia de ciclismo informada en 2017. Ciencias papel, y una eficiencia de ciclo del 85 por ciento para ánodos de metal de litio con un electrolito (líquido) convencional.

A menos 60 C, el equipo demostró una eficiencia cíclica del ánodo de litio-metal del 98,4 por ciento. A diferencia de, la mayoría de los electrolitos convencionales no funcionan por debajo de menos 20 C.

Las herramientas de simulación y caracterización del equipo de UC San Diego, muchos desarrollados en el Laboratorio de Almacenamiento y Conversión de Energía dirigido por Shirley Meng, permiten a los investigadores explicar por qué los ánodos de metal de litio funcionan mejor con electrolitos de gas licuado. Al menos parte de la respuesta tiene que ver con cómo se depositan las partículas de litio en la superficie del ánodo metálico.

Los investigadores informan sobre la deposición suave y compacta de partículas de litio en ánodos de metal de litio cuando se utilizan electrolitos de gas licuado. A diferencia de, cuando se utilizan electrolitos convencionales, Se forman dendritas en forma de aguja en el ánodo de metal de litio. Estas dendritas pueden degradar la eficiencia, provocar cortocircuitos, y dar lugar a graves amenazas a la seguridad.

Una medida de la densidad de las partículas de litio que se depositan en las superficies del ánodo es la porosidad. Cuanto menor sea la porosidad, mejor. El equipo de investigación informa en Joule que la porosidad de la deposición de partículas de litio sobre un ánodo metálico es del 0,90 por ciento a temperatura ambiente utilizando electrolitos de gas licuado a temperatura ambiente. La porosidad en presencia de electrolitos convencionales aumenta al 16,8 por ciento.

La carrera por el electrolito adecuado

Actualmente existe un gran impulso para encontrar o mejorar electrolitos que sean compatibles con el ánodo de metal de litio y que sean competitivos en términos de costo. la seguridad, y rango de temperatura. Los grupos de investigación se han centrado principalmente en disolventes altamente concentrados (líquidos) o electrolitos en estado sólido, pero actualmente no existe una fórmula mágica.

"Como parte de la comunidad de investigación de baterías, Estoy seguro de que vamos a desarrollar los electrolitos que necesitamos para los ánodos de litio-metal. Espero que esta investigación inspire a más grupos de investigación a analizar seriamente los electrolitos de gas licuado, "dijo Meng.

Meng también es el autor correspondiente de un artículo relacionado en la edición de mayo de 2019 de Tendencias en química "Problemas clave para obstaculizar un ánodo práctico de metal de litio".