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Electrolitos de próxima generación para baterías de metal de litio de alta densidad de energía
La alta reactividad del metal de litio reduce el electrolito en su superficie, lo que conduce a la degradación del rendimiento de la batería de metal de litio. Para superar este problema, los científicos han desarrollado electrolitos funcionales y aditivos de electrolitos para formar una película protectora de la superficie, lo que afecta la seguridad y la eficiencia de las baterías de litio, pero aún no fue eficiente para prevenir ciertas reacciones secundarias graves. En el estudio actual, los investigadores estabilizaron el metal de litio y el electrolito mediante el diseño del electrolito para proporcionar un potencial de oxidación-reducción mejorado del metal de litio, logrando así debilitar termodinámicamente la actividad de reacción del metal de litio, lo que podría ayudar a lograr un mejor rendimiento de la batería. Crédito: Yamada & Kitada Lab., Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos, Universidad de Tokio
Los hallazgos tienen potencial para mejorar en gran medida la densidad de energía de las baterías de litio.
Un equipo de investigadores ha descubierto un nuevo mecanismo para estabilizar el electrodo de metal de litio y el electrolito en las baterías de metal de litio. Este nuevo mecanismo no depende del enfoque cinético tradicional. Tiene el potencial de mejorar sustancialmente la densidad de energía de la batería: la cantidad de energía almacenada en relación con el peso o el volumen.
El equipo publicó sus hallazgos hoy (27 de octubre) en la revista Nature Energy.
Las baterías de metal de litio son una tecnología prometedora con el potencial de satisfacer las demandas de sistemas de almacenamiento de alta densidad de energía. Sin embargo, debido a la descomposición incesante del electrolito en estas baterías, su eficiencia Coulombic es baja. La eficiencia de Coulombic, también llamada eficiencia actual, describe la eficiencia por la cual los electrones se transfieren en la batería. Por lo tanto, una batería con una alta eficiencia de Coulombic tiene un ciclo de vida más prolongado.
“Este es el primer documento que propone el potencial de electrodo y las características estructurales relacionadas como métricas para diseñar electrolitos de baterías de metal de litio, que se extraen mediante la introducción de la ciencia de datos combinada con cálculos computacionales. Según nuestros hallazgos, se han desarrollado fácilmente varios electrolitos que permiten una alta eficiencia de Coulombic”, dijo Atsuo Yamada, profesor del Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos de la Universidad de Tokio. El trabajo del equipo tiene el potencial de brindar nuevas oportunidades en el diseño de electrolitos de próxima generación para baterías de metal de litio.
En las baterías de iones de litio, los iones de litio se mueven del electrodo positivo al electrodo negativo a través del electrolito durante la carga y regresan cuando se descargan. Al introducir electrodos de alta densidad de energía, se puede mejorar la densidad de energía de la batería. En este contexto, se han realizado muchos estudios durante las últimas décadas para cambiar el electrodo negativo de grafito a metal de litio. Sin embargo, el litio metálico tiene una alta reactividad, lo que reduce el electrolito en su superficie. Debido a esto, el electrodo de metal de litio muestra una pobre eficiencia de Coulombic.
Para superar este problema, los científicos han desarrollado electrolitos funcionales y aditivos de electrolitos que forman una película protectora de la superficie. Esta interfase de electrolito sólido tiene un impacto en la seguridad y eficiencia de las baterías de litio. La película protectora de la superficie evita el contacto directo entre el electrolito y el electrodo de metal de litio, lo que ralentiza cinéticamente la reducción del electrolito. Sin embargo, hasta ahora, los científicos no habían entendido completamente la correlación entre la interfase del electrolito sólido y la eficiencia de Coulombic.
Scientists know that if they improve the stability of the solid electrolyte interphase, then they can slow the electrolyte decomposition and the battery’s Coulombic efficiency is increased. But even with advanced technologies, scientists find it difficult to analyze the solid electrolyte interphase chemistry directly. Most of the studies about the solid electrolyte interphase have been conducted with indirect methodologies. These studies provide indirect evidence, therefore making it hard to develop the electrolyte-stabilizing lithium metal that leads to a high Coulombic efficiency.
The research team determined that if they could upshift the oxidation-reduction potential of the lithium metal in a specific electrolyte system, they could decrease the thermodynamic driving force to reduce the electrolyte, and thus achieve a higher Coulombic efficiency. This strategy had rarely been applied in developing batteries with lithium metal. “The thermodynamic oxidation-reduction potential of lithium metal, which varies significantly depending on the electrolytes, is a simple yet overlooked factor that influences the lithium metal battery performance,” said Atsuo Yamada.
The team studied the oxidation-reduction potential of lithium metal in 74 types of electrolytes. The researchers introduced a compound called ferrocene into all the electrolytes as an IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)-recommended internal standard for electrode potentials. The team proved that there is a correlation between the oxidation-reduction potential of lithium metal and the Coulombic efficiency. They obtained the high Coulombic efficiency with the upshifted oxidation-reduction potential of lithium metal.
Looking ahead to future work, the research team’s goal is to unveil the rational mechanism behind the oxidation-reduction potential shift in more detail. “We will design the electrolyte guaranteeing a Coulombic efficiency of greater than 99.95%. The Coulombic efficiency of lithium metal is less than 99%, even with advanced electrolytes. However, at least 99.95% is required for the commercialization of lithium metal-based batteries,” said Atsuo Yamada.
Referencia: "El potencial del electrodo influye en la reversibilidad de los ánodos de metal de litio" 27 de octubre de 2022, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-022-01144-0
Este estudio se llevó a cabo en colaboración con el Instituto de Tecnología de Nagoya.
Financiamiento: Programa de Investigación y Desarrollo de Tecnologías Avanzadas Bajas en Carbono; Investigación especialmente promovida para baterías innovadoras de próxima generación de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón; JSPS KAKENHI Investigación especialmente promovida; y el Programa del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología: Proyecto de Investigación y Desarrollo de Materiales Tipo de Utilización y Creación de Datos financió esta investigación.
Por UNIVERSIDAD DE TOKIO 27 DE OCTUBRE DE 2022
