Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de California en San Diego descubrió la causa principal de por qué fallan las baterías de metal de litio:pedazos de depósitos de metal de litio se desprenden de la superficie del ánodo durante la descarga y quedan atrapados como litio "muerto" o inactivo que el 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 desarrollando una técnica para medir las cantidades de especies de litio inactivas en el ánodo, una novedad 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 metal de litio del laboratorio.

"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, un doctorado en ciencia e ingeniería de materiales. estudiante de UC San Diego. "Nuestro objetivo final es habilitar una batería de metal de litio comercialmente viable".

Baterías de metal de litio, que tienen ánodos de metal 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 hechos de grafito), para que pudieran durar más y pesar menos. Esto podría potencialmente duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos.

Pero un problema importante con las baterías de metal de litio es la baja eficiencia Coulombic, lo que significa que se someten a un número limitado de ciclos antes de que dejen de funcionar. Eso es porque a medida que los ciclos de la batería, sus reservas de litio activo y electrolitos 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 SEI, todavía no han resuelto por completo los problemas con las baterías de metal de litio, explicó el autor principal Y. Shirley Meng, profesor de nanoingeniería en UC San Diego.

"Las celdas aún fallan porque se está formando una gran cantidad de litio inactivo en estas baterías. Por lo tanto, hay otro aspecto importante que se está pasando por alto, "Dijo Meng.

Los culpables Meng, Fang y sus colegas encontraron, 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 inactivo que ya no se puede reciclar a través de la batería. Este litio atrapado es en gran parte responsable de reducir la eficiencia Coulombic de la celda.

Midiendo los ingredientes del litio inactivo

Los investigadores identificaron al culpable mediante la creación de un método para medir cuánto metal de litio sin reaccionar 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. Cualquier trozo de metal de litio que no haya reaccionado reacciona químicamente con el agua para producir gas hidrógeno. Midiendo la cantidad de gas que se produce, los investigadores pueden calcular la cantidad de metal de litio atrapado.

El litio inactivo también se compone de otro componente:iones de litio, que son los componentes básicos de la capa SEI. Su cantidad también se puede calcular simplemente restando la cantidad de metal de litio sin reaccionar de la cantidad total de litio inactivo.

En pruebas con semiceldas de metal de litio, Los investigadores encontraron que el metal de litio sin reaccionar es el ingrediente principal del litio inactivo. A medida que se forma más, cuanto más bajo se hunde la eficiencia de Coulombic. Mientras tanto, la cantidad de iones de litio de la capa SEI se mantiene constantemente baja. Estos resultados se observaron en ocho electrolitos diferentes.

"Este es un hallazgo importante porque muestra que el producto de falla principal de las baterías de metal de litio 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 una precisión ultra alta, que ninguna otra herramienta de caracterización ha sido capaz de 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, haciendo casi imposible diferenciar estos diferentes tipos de litio inactivo, "dijo Kang Xu, cuyo equipo en el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. proporcionó una de las formulaciones avanzadas de electrolitos 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 se convierta en el nuevo estándar para evaluar la eficiencia en baterías de metal de litio.

"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 del tipo de electrolito o formato de celda que utilicen, "Dijo Meng.

Una mirada más cercana al litio inactivo

Al estudiar las micro y nanoestructuras de los 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 cómo se deposita el litio 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, depósitos de litio tan densos, trozos en forma de columna. Este tipo de estructura hace que menos metal de litio sin reaccionar quede atrapado en la capa SEI como litio inactivo durante la descarga. El resultado es una eficiencia Coulombic del 96 por ciento para el primer ciclo.

"Este excelente desempeño se atribuye a la microestructura columnar formada en la superficie del colector de corriente con mínima tortuosidad, 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 depositara con la microestructura "ideal".

A diferencia de, cuando se utiliza un electrolito de carbonato comercial, depósitos de litio con un revirado, morfología parecida a un bigote. Esta estructura hace que más metal de litio quede atrapado en el SEI durante el proceso de extracción. La eficiencia coulombica se reduce al 85 por ciento.

Avanzando el equipo propone estrategias para controlar el depósito y el decapado del metal litio. Estos incluyen aplicar presión sobre las pilas de electrodos; crear capas SEI que sean uniformes y mecánicamente elásticas; y el uso de colectores de corriente 3-D.

"El control de la micro y nanoestructura es clave, ", Dijo Meng." Esperamos que nuestros conocimientos estimulen nuevas direcciones de investigación para llevar las baterías recargables de metal de litio al siguiente nivel ".