Las baterías de metal de litio se encuentran entre los candidatos más prometedores para la tecnología de almacenamiento de energía de alta densidad en una gama cada vez mayor de dispositivos digitales "inteligentes" y vehículos eléctricos. pero el crecimiento descontrolado de dendrita de litio, lo que da como resultado una capacidad de recarga deficiente y peligros para la seguridad, actualmente modera su potencial.

Las dendritas son crecimientos en forma de agujas que aparecen en la superficie del metal de litio, que se utiliza como ánodo, o electrodo negativo, de una batería. Inducen reacciones secundarias no deseadas que reducen la densidad de energía, y en el peor de los casos provocar un cortocircuito de los electrodos que puede provocar incendios o explosiones.

Nueva investigación de la Universidad Estatal de Arizona que involucra el uso de una capa tridimensional de polidimetilsiloxano (PDMS), o silicona, ya que se ha descubierto que el sustrato del ánodo de metal de litio mitiga la formación de dendrita y prolonga drásticamente la vida útil de la batería y disminuye los riesgos de seguridad.

Según Hanqing Jiang, profesor de la Escuela de Ingeniería de la Materia de la Universidad Estatal de Arizona, Transport and Energy y un investigador principal en un artículo publicado en Energía de la naturaleza , los hallazgos tienen relevancia tanto para las baterías de iones de litio como para las de litio-aire, así como implicaciones para otras baterías basadas en ánodos metálicos.

"Casi todos los metales utilizados como ánodos de batería tienden a desarrollar dendritas, "explicó Jiang". Por ejemplo, estos hallazgos tienen implicaciones para el zinc, también baterías de sodio y aluminio ".

Jiang dijo que él y el equipo de investigación, en lugar de abordar el problema desde una perspectiva de materiales o electroquímica, busqué soluciones como ingenieros mecánicos. "Ya sabemos que pequeñas agujas o bigotes de estaño pueden sobresalir de las superficies de estaño bajo tensión, así que, por analogía, consideramos la posibilidad de estrés como un factor en el crecimiento de las dendritas de litio ".

La primera ronda de investigación implicó agregar una capa de PDMS a la parte inferior del ánodo de la batería. "Hubo reducciones notables en el crecimiento de las dendríticas, ", dijo Jiang. Los investigadores descubrieron que esto está directamente relacionado con el hecho de que la tensión acumulada dentro del metal de litio se alivia mediante la deformación del sustrato PDMS en forma de" arrugas ".

"Esta es la primera vez que hay evidencia convincente que muestra que el estrés residual juega un papel clave en el inicio de las dendritas de litio, "dijo Jiang.

Además de obtener una comprensión fundamental del mecanismo de crecimiento de las dendritas de litio, El grupo de Jiang también ideó una forma inteligente de utilizar el fenómeno para extender la vida útil de las baterías de metal de litio mientras se mantiene su alta densidad de energía. La solución es darle al sustrato PDMS una forma tridimensional con mucha superficie. "Imagine terrones de azúcar que contienen muchos poros internos pequeños, "explicó Jiang." Dentro de estos cubos, el PDMS forma una red continua como sustrato, cubierto por una fina capa de cobre para conducir electrones. Finalmente, el litio llena los poros. El PDMS, que sirve como un poroso, capa esponjosa, alivia el estrés e inhibe eficazmente el crecimiento de las dendríticas ".

"Combinando sinérgicamente con otros métodos de supresión de dendrita de litio, como los nuevos aditivos de electrolitos, El hallazgo tiene amplias implicaciones para hacer que las baterías de metal de litio sean seguras, alta densidad, solución de almacenamiento de energía a largo plazo, "dijo el profesor Ming Tang, miembro del equipo de investigación de la Universidad Rice. "Las aplicaciones potenciales van desde dispositivos electrónicos personales hasta alimentar automóviles eléctricos durante períodos excepcionalmente más largos y ser el suministro eléctrico de respaldo para las redes de energía solar".