En medio de los esfuerzos globales hacia la neutralidad de carbono, los fabricantes de automóviles de todo el mundo participan activamente en la investigación y el desarrollo para convertir los vehículos con motor de combustión interna en vehículos eléctricos. En consecuencia, se está intensificando la competencia para mejorar el rendimiento de la batería, que está en el corazón de los vehículos eléctricos. Desde su comercialización en 1991, las baterías de iones de litio han tenido una participación de mercado dominante en la mayoría de los segmentos del mercado, desde pequeños electrodomésticos hasta vehículos eléctricos, gracias a la mejora continua en densidad y eficiencia energética. Sin embargo, todavía no se comprenden bien algunos fenómenos que ocurren dentro de tales baterías, como la expansión y el deterioro del material del ánodo.

El Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea anunció que su equipo dirigido por el Dr. Jae-Pyoung Ahn (División de Recursos de Investigación) y el Dr. Hong-Kyu Kim (Centro de Datos y Análisis Avanzado) ha logrado la observación en tiempo real de la expansión y deterioro del material del ánodo dentro de las baterías debido al movimiento de los iones de litio. La investigación del equipo se publica en ACS Energy Letters .

En general, se sabe que el rendimiento y la vida útil de las baterías de iones de litio se ven afectados por varios cambios que ocurren en los materiales de los electrodos internos durante los procesos de carga y descarga. Sin embargo, es difícil monitorear tales cambios durante la operación porque los principales materiales de la batería, como electrodos y electrolitos, se contaminan instantáneamente cuando se exponen al aire. Por lo tanto, la observación y el análisis precisos de los cambios estructurales en el material del electrodo durante la migración de iones de litio es el factor más importante para mejorar el rendimiento y la seguridad.

En una batería de iones de litio, los iones de litio se mueven hacia el ánodo durante la carga y hacia el cátodo durante la descarga. El equipo de investigación de KIST logró observar en tiempo real un ánodo compuesto de silicio y grafito, que se está estudiando para su uso comercial como batería de alta capacidad. En teoría, la capacidad de carga del silicio es 10 veces mayor que la del grafito, un material de ánodo convencional. Sin embargo, el volumen de nanopolvos de silicio se cuadruplica durante el proceso de carga, lo que dificulta garantizar el rendimiento y la seguridad. Se ha planteado la hipótesis de que los nanoporos formados durante la mezcla de los componentes de los compuestos de silicio y grafito pueden adaptarse a la expansión de volumen del silicio durante la carga de la batería, cambiando así el volumen de la batería. Sin embargo, el papel de estos nanoporos nunca ha sido confirmado por observación directa con curvas de voltaje electroquímico.

Utilizando una plataforma de análisis de baterías de diseño propio, el equipo de investigación de KIST observó directamente la migración de iones de litio al ánodo compuesto de silicio y grafito durante la carga e identificó el papel práctico de los nanoporos. Se encontró que los iones de litio migran secuencialmente hacia el carbono, los nanoporos y el silicio en el compuesto de silicio y grafito. Además, el equipo de investigación observó que los poros de tamaño nanométrico tienden a almacenar iones de litio (litiación de relleno previo) antes que las partículas de litio-silicio (litiación de Si), mientras que los poros de tamaño micro acomodan la expansión de volumen del silicio como se creía anteriormente. Por lo tanto, el equipo de investigación sugiere que para el diseño de materiales de ánodo de alta capacidad para litio- baterías de iones.

"Así como el Telescopio Espacial James Webb anuncia una nueva era en la exploración espacial, la plataforma de análisis de baterías KIST abre nuevos horizontes en la investigación de materiales al permitir la observación de cambios estructurales en las baterías eléctricas", dijo el Dr. Ahn, jefe de la División de Recursos de Investigación de KIST. . "Planeamos continuar con la investigación adicional necesaria para impulsar innovaciones en el diseño de materiales de baterías, mediante la observación de cambios estructurales en los materiales de las baterías que no se ven afectados por la exposición atmosférica", dijo. + Explora más

Prevención de la pérdida de litio para baterías de iones de litio de alta capacidad