Electrodo de tres capas de grafito / PMMA / Li antes (izquierda) y después (derecha) de sumergirse en el electrolito de la batería durante 24 horas. Antes de sumergirlo en electrolito, el electrodo de tres capas es estable en el aire. Después de remojar el litio reacciona con el grafito y el color se vuelve dorado. Crédito:Yuan Yang, Ingeniería de Columbia
Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Columbia Engineering, ha desarrollado un nuevo método para aumentar la densidad de energía de las baterías de litio (Li-ion). Ha construido una estructura de tres capas que es estable incluso en el aire ambiente, lo que hace que la batería sea más duradera y más barata de fabricar. La obra, que puede mejorar la densidad de energía de las baterías de litio en un 10-30%, se publica en línea hoy en Nano letras .
"Cuando las baterías de litio se cargan por primera vez, pierden entre un 5% y un 20% de energía en ese primer ciclo, ", dice Yang." A través de nuestro diseño, hemos podido recuperar esta pérdida, y creemos que nuestro método tiene un gran potencial para aumentar el tiempo de funcionamiento de las baterías de los vehículos eléctricos y electrónicos portátiles ".
Durante la primera carga de una batería de litio después de su producción, una porción de electrolito líquido se reduce a una fase sólida y se recubre sobre el electrodo negativo de la batería. Este proceso, generalmente se hace antes de que las baterías se envíen desde la fábrica, es irreversible y reduce la energía almacenada en la batería. La pérdida es de aproximadamente el 10% para los electrodos negativos de última generación, pero puede alcanzar hasta el 20-30% para electrodos negativos de próxima generación con alta capacidad, como el silicio, porque estos materiales tienen una gran expansión de volumen y una gran superficie. La gran pérdida inicial reduce la capacidad alcanzable en una celda llena y por lo tanto compromete la ganancia en densidad de energía y ciclo de vida de estos electrodos nanoestructurados.
El enfoque tradicional para compensar esta pérdida ha sido colocar ciertos materiales ricos en litio en el electrodo. Sin embargo, la mayoría de estos materiales no son estables al aire ambiente. Fabricación de baterías en aire seco, que no tiene nada de humedad, es un proceso mucho más caro que la fabricación en aire ambiente. Yang ha desarrollado una nueva estructura de electrodos de tres capas para fabricar ánodos de baterías litiadas en el aire ambiente. En estos electrodos, protegió el litio con una capa del polímero PMMA para evitar que el litio reaccionara con el aire y la humedad, y luego recubrió el PMMA con materiales activos como grafito artificial o nanopartículas de silicio. Luego, la capa de PMMA se disolvió en el electrolito de la batería, exponiendo así el litio a los materiales de los electrodos. "De esta manera pudimos evitar cualquier contacto con el aire entre el litio inestable y un electrodo litiado, "Yang explica, "para que el electrodo estructurado en tres capas se pueda operar en el aire ambiente. Esto podría ser un avance atractivo hacia la producción en masa de electrodos de batería litiada".
Ilustración que muestra el procedimiento para fabricar el electrodo de tres capas. El PMMA se utiliza para proteger el litio y hacer que el electrodo de tres capas sea estable en el aire ambiente. El PMMA se disuelve en el electrolito de la batería y los contactos de grafito con litio para compensar la pérdida debida a la reducción del electrolito. Crédito:Yuan Yang, Ingeniería de Columbia
El método de Yang redujo la capacidad de pérdida en los electrodos de grafito de última generación del 8% al 0,3%, y en electrodos de silicio, del 13% al -15%. La cifra de -15% indica que había más litio del necesario, y el litio "extra" se puede utilizar para mejorar aún más la vida útil de las baterías, ya que el exceso puede compensar la pérdida de capacidad en ciclos posteriores. Porque la densidad de energía, o capacidad, de las baterías de iones de litio ha aumentado entre un 5% y un 7% anual durante los últimos 25 años, Los resultados de Yang apuntan a una posible solución para mejorar la capacidad de las baterías de iones de litio. Su grupo ahora está tratando de reducir el grosor del recubrimiento de polímero para que ocupe un volumen menor en la batería de litio. y ampliar su técnica.
"Esta estructura de electrodos de tres capas es de hecho un diseño inteligente que permite el procesamiento de electrodos que contienen metal de litio en condiciones ambientales". "señala Hailiang Wang, profesor asistente de química en la Universidad de Yale, que no participó en el estudio. "La eficiencia Coulombic inicial de los electrodos es una gran preocupación para la industria de las baterías de iones de litio, y esta técnica eficaz y fácil de usar para compensar la pérdida irreversible de iones de litio atraerá el interés ".
