Los investigadores están explorando el uso de litio metálico como ánodo en baterías para aumentar la densidad de energía, pero enfrentan desafíos con la interfase natural de electrolito sólido (SEI), que es frágil y degrada el rendimiento. Están investigando capas artificiales SEI (ASEI), incluidos tipos híbridos poliméricos e inorgánicos-orgánicos, para mejorar la estabilidad y la funcionalidad, abordando problemas como el crecimiento de dendritas y la adhesión de capas para allanar el camino para baterías de metal litio más eficientes y seguras.
El litio metálico, elegido para los ánodos de las baterías debido a su densidad de energía superior en comparación con otros materiales, es una elección inteligente. Sin embargo, surgen desafíos en la interfaz entre el electrodo y el electrolito, lo que presenta oportunidades de mejora para lograr un rendimiento más seguro y eficiente en aplicaciones futuras.
Los desafíos y soluciones de los ánodos de metal de litio.
Los investigadores de la Universidad de Tsinghua están interesados en reemplazar el ánodo de grafito por un ánodo de metal de litio para construir un sistema de batería con mayor densidad de energía. Sin embargo, el ánodo de metal Li es inestable y reacciona fácilmente con electrolitos para formar una interfase electrolítica sólida (SEI). Desafortunadamente, el SEI natural es quebradizo y frágil, lo que resulta en una vida útil y un rendimiento deficientes.
En este caso, los investigadores buscaron un sustituto del SEI natural que pudiera mitigar eficazmente las reacciones secundarias dentro del sistema de batería. La respuesta es ASEI: interfase electrolítica sólida artificial. ASEI soluciona algunos de los problemas que afectan al ánodo de metal de litio para convertirlo en una fuente de energía más segura, confiable e incluso más poderosa que pueda usarse con mayor confianza en vehículos eléctricos y otras aplicaciones similares.
Publicación e importancia de la investigación.
Ahora, los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Energy Materials and Devices el 25 de septiembre.
“Las tecnologías de las baterías han revolucionado nuestro estilo de vida y están estrechamente relacionadas con la vida de todos. Para lograr una economía verdaderamente libre de carbono, se necesitan baterías de mejor rendimiento para reemplazar las actuales baterías de iones de litio”, dijo Yanyan Wang, autor e investigador del estudio.
Cada cuña consta de diferentes construcciones de interfaz electrodo-electrolito para contribuir a una revisión práctica del diseño de electrodos de metal de litio. Crédito: Yanyan Wang, Universidad de Adelaida
Las baterías de metal de litio (LMB) son esos candidatos. Sin embargo, el ánodo de metal litio reacciona con el electrolito y se forma una capa de pasivación, llamada interfase de electrolito sólido, en la superficie del metal litio durante el funcionamiento de la batería. Otro problema del ánodo de litio metálico es el llamado “crecimiento de dendritas”, que aparece durante la carga de la batería. Las dendritas parecen estructuras de ramas de árboles que causan daños internos a la batería, provocando cortocircuitos, bajo rendimiento y posibles riesgos para la seguridad. Estas debilidades reducen por completo la practicidad de los LMB y plantean algunos desafíos que deben abordarse.
Estrategias para mejorar los ánodos de metal de litio
La revisión introdujo algunas estrategias que pueden emplearse para crear un ánodo de litio metálico más eficaz y seguro. Para mejorar el ánodo de metal de litio, los investigadores descubrieron que es necesario homogeneizar la distribución de los iones de litio, lo que puede ayudar a reducir los depósitos en áreas cargadas negativamente de las baterías.
Esto, a su vez, reducirá la formación de dendritas, lo que puede evitar el deterioro prematuro y los cortocircuitos. Además, crear una forma más fácil para que los iones de litio se difundan y al mismo tiempo garantizar que las capas estén aisladas eléctricamente puede ayudar a mantener la integridad de la estructura, tanto física como químicamente, durante el ciclo de la batería. Lo más importante es que reducir el voltaje entre la interfaz del electrodo y el electrolito puede garantizar una conectividad adecuada entre las capas, que es una parte esencial de la funcionalidad de la batería.
Potencial de las capas ASEI y direcciones futuras
Las estrategias que parecen tener mayor potencial son las capas poliméricas de ASEI y las capas híbridas de ASEI inorgánico-orgánico. Las capas poliméricas tienen suficiente capacidad de ajuste en su diseño, siendo fácilmente ajustables la resistencia y la elasticidad. Las capas de polímero también tienen grupos funcionales similares a los electrolitos, lo que las hace extremadamente compatibles; Esta compatibilidad es una de las principales áreas de las que carecen otros componentes. Las capas híbridas inorgánicas-orgánicas son mejores para reducir el espesor de la capa y mejorar en gran medida la distribución de los componentes dentro de las capas, lo que mejora el rendimiento general de la batería.
El futuro de las capas ASEI es brillante, pero requiere algunas mejoras. A los investigadores les gustaría ver principalmente una mejora en la adhesión de las capas de ASEI a la superficie metálica, lo que en general mejora el funcionamiento y la longevidad de la batería. Otras áreas que requieren cierta atención son la estabilidad de la estructura y la química dentro de las capas, además de minimizar el espesor de las capas para mejorar la densidad de energía de los electrodos metálicos. Una vez que se resuelvan estos problemas, el camino a seguir para una batería de metal de litio mejorada debería estar bien pavimentado.
Referencia: “Desarrollo de una interfase artificial de estado sólido para electrodos de metal Li: avances y perspectivas recientes” por Yanyan Wang, Mingnan Li, Fuhua Yang, Jianfeng Mao y Zaiping Guo, 25 de septiembre de 2023, Materiales y dispositivos energéticos.
DOI: 10.26599/EMD.2023.9370005
Yanyan Wang, Mingnan Li, Fuhua Yang, Jianfeng Mao y Zaiping Guo de la Escuela de Ingeniería y Materiales Avanzados de la Universidad de Adelaida contribuyeron a esta investigación.
