La carga da como resultado cationes metálicos doble o triplemente cargados, como Mg2 + (esferas naranjas), junto con iones de litio cargados individualmente (esferas verdes) que se insertan conjuntamente desde el electrolito en el material del ánodo de silicio (esferas azules). Este proceso estabiliza el ánodo, permitiendo el ciclo a largo plazo de las baterías de iones de litio. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
La nueva mezcla de electrolitos de Argonne estabiliza los ánodos de silicio durante el ciclo.
La batería de iones de litio es omnipresente. Por su versatilidad, esta batería se puede adaptar para alimentar teléfonos móviles, laptops, herramientas eléctricas o vehículos eléctricos. Ahora es la fuente de una empresa multimillonaria anualmente que continúa creciendo cada año.
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado una nueva mezcla de electrolitos y un aditivo simple que podría tener un lugar en la próxima generación de baterías de iones de litio.
Durante muchas décadas, Los científicos han estado buscando enérgicamente nuevos materiales para electrodos y electrolitos que puedan producir una nueva generación de baterías de iones de litio que ofrezcan un almacenamiento de energía mucho mayor y que duren más tiempo. cuesta menos y es más seguro. Esta nueva generación probablemente hará que los vehículos eléctricos se generalicen más y acelere la expansión de la red eléctrica hacia energía renovable a través de un almacenamiento de energía más barato y confiable.
Para los científicos que desarrollan baterías de iones de litio avanzadas, el ánodo de silicio ha sido el candidato preeminente para reemplazar el actual ánodo de grafito. El silicio tiene una ventaja teórica significativa en la capacidad de almacenamiento de energía sobre el grafito, pudiendo almacenar casi diez veces más litio que el grafito. El aumento comercial del atractivo del silicio es su bajo costo. Es el segundo material más abundante en la corteza terrestre, y su predominio en hardware informático y de telecomunicaciones significa que existen importantes tecnologías de procesamiento.
"Pero queda una piedra de tropiezo, "señaló Jack Vaughey, químico senior en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas (CSE) de Argonne. "En el ciclismo, un ánodo a base de silicio en una celda de iones de litio se vuelve muy reactivo con el electrolito, y este proceso degrada la célula con el tiempo, provocando un ciclo de vida más corto ".
Los electrolitos de las baterías de iones de litio contienen actualmente una mezcla de disolventes, con una sal de litio disuelta y al menos una, a menudo más de tres aditivos orgánicos. Los científicos de Argonne han desarrollado una estrategia única de aditivos de electrolitos:una pequeña cantidad de una segunda sal que contiene cualquiera de varios cationes metálicos con carga doble o triple (Mg 2+ , California 2+ , Zn 2+ , o Al 3+ ). Estas mezclas de electrolitos mejoradas, denominados colectivamente "MESA" (que significa electrolitos de sales mixtas para ánodos de silicio), dan a los ánodos de silicio una mayor estabilidad de superficie y de volumen, mejorar el ciclo a largo plazo y la vida útil del calendario.
"Hemos probado exhaustivamente las formulaciones de MESA con celdas completas fabricadas con electrodos estándar comercialmente relevantes, "dijo Baris Key, químico de la división CSE. "La nueva química es simple, escalable y totalmente compatible con la tecnología de baterías existente ".
"En este proyecto, nos beneficiamos enormemente del análisis celular de Argonne, Instalación de modelado y creación de prototipos (CAMP), "agregó Vaughey." Fue allí donde probamos nuestras formulaciones MESA ".
Los investigadores de Argonne también investigaron cómo funcionan los electrolitos que contienen MESA. Durante la carga, las adiciones de cationes metálicos en la solución de electrolitos migran al ánodo a base de silicio junto con los iones de litio para formar fases de litio-metal-silicio, que son más estables que el litio-silicio. Esta nueva química de la celda reduce en gran medida las reacciones secundarias perjudiciales entre el ánodo de silicio y el electrolito que habían plagado las celdas con el electrolito tradicional. De las cuatro sales metálicas probadas en células, las sales de electrolitos añadidas con magnesio (Mg 2+ ) o calcio (Ca 2+ ) Los cationes demostraron funcionar mejor durante cientos de ciclos de carga y descarga. Las densidades de energía obtenidas con estas celdas superaron las de celdas comparables que tienen química de grafito hasta en un 50%.
"Según los resultados de estas pruebas, "dijo Key, "Tenemos todas las razones para creer que, Si los ánodos de silicio alguna vez reemplazan al grafito o constituyen el ánodo en más de un pequeño porcentaje de concentración, esta invención será parte de ella y podría tener un impacto de gran alcance ".
