Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne han avanzado hacia una batería de iones de litio de mayor capacidad para satisfacer la creciente demanda de los consumidores.

Con el creciente número de vehículos eléctricos en la carretera y una creciente dependencia de la electrónica de consumo, La demanda nunca ha sido mayor para el desarrollo de baterías de iones de litio (LIB) que pueden mantener una mayor capacidad energética, o cantidad de carga almacenada dentro de la batería.

Una forma de aumentar la capacidad energética general de las LIB es aumentar la capacidad energética del ánodo, o el electrodo negativo. Durante las últimas décadas, Se han fabricado LIB de última generación con ánodos de grafito. La capacidad energética del grafito es estable, lo que significa que la capacidad no se desvanece, y el material no se agrieta incluso después de más de 1000 ciclos completos de carga y descarga. Sin embargo, el grafito tiene una baja capacidad energética teórica, que no puede satisfacer las crecientes demandas energéticas de la sociedad actual.

En un nuevo estudio, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha demostrado la mayor capacidad de un potencial nuevo, material de ánodo de mayor capacidad. Este material compuesto se había desarrollado originalmente para baterías de iones de sodio, que se utilizan con menos frecuencia comercialmente que las baterías de iones de litio. Este nuevo estudio buscó aplicar el material a baterías de iones de litio.

Recientemente, dos materiales han estado a la vanguardia de la investigación de ánodos de baterías de próxima generación:el silicio y el fósforo. Tanto el silicio como el fósforo tienen una capacidad de energía teórica al menos 10 veces mayor que el grafito, lo que significa que podrían superar los requisitos de capacidad energética para las LIB. Según el científico senior de materiales y miembro distinguido de Argonne, Khalil Amine, el investigador principal del estudio Argonne, El silicio tiene dos problemas importantes. El primer problema involucra la expansión de alto volumen cuando el silicio se litia durante la carga, lo que probablemente haría que el material del ánodo se rompiera. El agrietamiento conduciría a una pérdida de capacidad energética, él explicó.

El segundo problema involucra un término llamado eficiencia culombótica inicial (ICE). Cuando una batería pasa por un ciclo completo de carga y descarga, teóricamente, la salida de carga de la batería debería coincidir con la entrada de carga. Sin embargo, parte de la energía en la salida de carga se pierde al reaccionar el litio con el material del ánodo. Para desarrollar un LIB práctico, la relación entre la salida de carga y la entrada de carga en el primer ciclo de carga-descarga debe ser superior al 90%. Esta relación es el ICE. Con silicio, el ICE es inferior al 80%, lo que Amine explicó lo hace inviable para uso práctico.

En su investigación, Amina, El químico Argonne Gui-Liang Xu, y sus colegas exploraron dos tipos potenciales de fósforo:fósforo negro y rojo. "El fósforo tiene una capacidad energética muy alta, "Dijo Xu." Cuando exploramos el material, descubrimos que nuestro material de ánodo tiene un ICE muy alto de más del 90% ".

Un ICE de más del 90% demuestra que ocurren muy pocas reacciones secundarias entre el material del ánodo y el electrolito, por lo que no se pierde mucho litio durante la carga y descarga inicial.

El equipo creó su propio compuesto de ánodo compuesto principalmente de fósforo negro, una forma de fósforo altamente conductora con una alta capacidad teórica, y compuestos de carbono conductores.

Para crear el compuesto, los investigadores muelen el material de fósforo a granel y el carbono conductor en partículas de tamaño micrométrico, lo que aumenta la densidad del ánodo.

Al medir los ciclos de vida, o el número total de veces que se puede cargar y descargar una batería, Amine y sus colegas recurrieron a la Fuente de fotones avanzada (APS) y al Centro de materiales a nanoescala (CNM) de Argonne, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Empleando difracción de rayos X de fuente de luz de anillo de almacenamiento in situ en el APS y microscopía electrónica de barrido in situ en el CNM, El equipo observó la transformación de volumen y fase del ánodo durante la carga y descarga repetidas.

"Argonne tiene habilidades únicas disponibles en APS y CNM, "Xu dijo." Con la fuente de luz del anillo de almacenamiento, podemos probar la transformación de fase durante la litiación y la delitiación, lo que nos permite ver la reversibilidad de la reacción ".

Después de mostrar la estabilidad del compuesto de fósforo negro, el equipo investigó un compuesto con fósforo rojo en lugar de fósforo negro. Fósforo negro, aunque significativamente más conductor que el fósforo rojo, es demasiado caro para su uso práctico en el mercado. Con el compuesto de fósforo rojo, que es una opción económicamente viable, la batería mostró una estabilidad similar y un alto ICE, con una capacidad práctica muy alta.

El equipo está trabajando actualmente en un material compuesto hecho principalmente de fósforo rojo, y el material muestra resultados prometedores, Dijo Xu. "Estamos intentando iniciar la colaboración con socios de la industria para poder ampliar este material, para que pueda comercializarse en el futuro ".

El artículo de investigación sobre el estudio, "Un material de ánodo práctico a base de fósforo para baterías de iones de litio de alta energía, "apareció en línea el 26 de abril, 2020, en Nano Energía.