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Gran avance en tecnología de baterías: Avances en las baterías metálicas de litio de carga rápida
En un nuevo artículo publicado en Nature Energy, unos ingenieros informan de los avances realizados en la fabricación de baterías de litio metálico que se cargan rápidamente, en tan sólo una hora. Esta carga rápida es posible gracias a cristales de litio metálico que pueden sembrarse y crecer -rápida y uniformemente- en una superficie sorprendente. El truco consiste en utilizar una superficie de crecimiento de cristales a la que oficialmente el litio no "le guste". A partir de estos cristales semilla crecen densas capas de metal de litio uniforme. Las capas uniformes de litio metálico son de gran interés para los investigadores de baterías porque carecen de los picos que degradan su rendimiento, denominados dendritas. La formación de estas dendritas en los ánodos de las baterías es desde hace tiempo un obstáculo para la carga rápida de las baterías de litio-metal de alta densidad energética.
Este nuevo método, dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego, permite cargar las baterías de litio-metal en aproximadamente una hora, una velocidad que compite con la de las baterías de iones de litio actuales. Los ingenieros de la UC San Diego, en colaboración con investigadores de imagen de la UC Irvine, han publicado hoy (9 de febrero de 2023) en la revista Nature Energy este avance destinado a desarrollar baterías de litio-metal de carga rápida.
En esta imagen SEM, grandes cristales uniformes de litio metálico crecen sobre una superficie que sorprende porque no "gusta" del litio. Investigadores de baterías de la Universidad de California en San Diego descubrieron que los cristales de litio metálico pueden iniciarse (nuclearse) y crecer, rápida y uniformemente, en densas capas de litio metálico que carecen de dendritas que degraden el rendimiento. En un artículo publicado en Nature Energy el 9 de febrero de 2023, los investigadores de baterías de la UC San Diego demostraron que esta formación sorpresa de semillas de cristales de litio da lugar a capas densas de litio incluso a altas velocidades de carga, lo que da lugar a baterías de metal de litio de larga duración que también pueden cargarse rápidamente. Este descubrimiento supera un fenómeno habitual en las baterías recargables de litio-metal, en las que la carga a altas velocidades siempre da lugar a litio poroso y ciclos de vida cortos. Al sustituir las omnipresentes superficies de cobre del lado negativo (el ánodo) de las baterías de litio-metal por esta superficie litófuga hecha de fluoruro de litio y hierro, los investigadores han abierto una nueva vía para crear baterías de litio-metal más fiables, seguras y de mayor rendimiento. Crédito: Zhaohui Wu y Zeyu Hui / UC San Diego
Para cultivar cristales de litio metálico, los investigadores sustituyeron las omnipresentes superficies de cobre del lado negativo (el ánodo) de las baterías de litio metálico por una superficie de nanocompuesto litiofóbico hecha de fluoruro de litio (LiF) y hierro (Fe). Utilizando esta superficie litofóbica para depositar el litio, se formaron semillas de cristales de litio, a partir de las cuales crecieron densas capas de litio, incluso a altas velocidades de carga. El resultado fueron unas baterías de litio-metal de larga duración que pueden cargarse rápidamente.
"La superficie nanocompuesta especial es el descubrimiento", afirma Ping Liu, profesor de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego y autor principal del nuevo artículo. "Desafiamos la noción tradicional de qué tipo de superficie se necesita para cultivar cristales de litio. La idea predominante es que el litio crece mejor en superficies que le gustan, superficies que son litiofílicas. En este trabajo demostramos que no siempre es así. Al sustrato que utilizamos no le gusta el litio. Sin embargo, proporciona abundantes lugares de nucleación junto con un rápido movimiento superficial del litio. Estos dos factores conducen al crecimiento de estos bellos cristales. Es un buen ejemplo de cómo una idea científica resuelve un problema técnico".
Imagen Cryo-TEM de un único cristal de litio metálico que se sembró en una sorprendente superficie de nanocompuesto litiofóbico de fluoruro de litio y hierro. El cristal de litio tiene forma bipiramidal hexagonal. En un artículo publicado en Nature Energy el 9 de febrero de 2023, los investigadores de la UC San Diego y la UC Irvine demostraron que esta sorprendente formación de semillas de cristales de litio da lugar a densas capas de litio incluso a altas velocidades de carga, lo que da lugar a baterías de litio-metal de larga duración que también pueden cargarse rápidamente. Este descubrimiento supera un fenómeno habitual en las baterías recargables de litio-metal, en las que la carga a alta velocidad siempre da lugar a litio poroso y ciclos de vida cortos. Al sustituir las omnipresentes superficies de cobre del lado negativo (el ánodo) de las baterías de litio-metal por esta superficie litófuga hecha de fluoruro de litio y hierro, los investigadores han abierto una nueva vía para crear baterías de litio-metal más fiables, seguras y de mayor rendimiento. Crédito: Chunyang Wang y Huolin Xin / UC Irvine
El nuevo avance dirigido por nanoingenieros de la UC San Diego podría eliminar un importante obstáculo que frena el uso generalizado de baterías de litio-metal de alta densidad energética para aplicaciones como vehículos eléctricos y aparatos electrónicos portátiles. Aunque las baterías de litio-metal tienen un gran potencial para los vehículos eléctricos y la electrónica portátil por su alta densidad de carga, las baterías de litio-metal actuales deben cargarse muy lentamente para mantener su rendimiento y evitar problemas de seguridad. La carga lenta es necesaria para minimizar la formación de dendritas de litio, que arruinan el rendimiento de la batería y se forman cuando los iones de litio se unen a los electrones para formar cristales de litio en el ánodo de la batería. Los cristales de litio se acumulan cuando la batería se carga y se disuelven cuando se descarga.
Referencia: "Growing single-crystalline seeds on lithiophobic substrates to enable fast-charging lithium-metal batteries", por Zhaohui Wu, Zeyu Hui, Haodong Liu, Shen Wang, Sicen Yu, Xing Xing, John Holoubek, Qiushi Miao Ping Liu, Chunyang Wang y Huolin L. Xin, 9 de febrero de 2023, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-023-01202-1
Ping Liu es director del Centro de Energía y Potencia Sostenibles (SPEC) de la Escuela de Ingeniería Jacobs de la Universidad de California en San Diego, donde también es profesor del Departamento de Nanoingeniería.
