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Mejora del rendimiento y la vida útil: los científicos resuelven el misterio de la batería
Los investigadores de KIT han caracterizado los procesos químicos que ocurren en los electrodos de las baterías de iones de litio.
Las baterías de iones de litio se han convertido en una parte crucial de nuestra vida diaria y funcionan gracias a la formación de una capa de pasivación durante su ciclo de carga inicial. A través de simulaciones, los investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) descubrieron que la interfase de electrolito sólido no se forma directamente en el electrodo, sino que se acumula en la solución.
Los científicos han publicado sus hallazgos en la revista Advanced Energy Materials. Sus resultados allanan el camino para optimizar el rendimiento y la vida útil de las futuras baterías.
Desde teléfonos inteligentes hasta automóviles eléctricos: donde sea que se requiera una fuente de energía móvil, casi siempre es una batería de iones de litio la que hace el trabajo. Una parte esencial del funcionamiento confiable de esta y otras baterías de electrolito líquido es la interfase de electrolito sólido (SEI). Esta capa de pasivación se forma cuando se aplica voltaje por primera vez. El electrolito se descompone en las inmediaciones de la superficie.
Hasta ahora, no estaba claro cómo las partículas en los electrolitos forman una capa de hasta 100 nanómetros de espesor en la superficie del electrodo, ya que la reacción de descomposición solo es posible a una distancia de unos pocos nanómetros de la superficie.
La capa de pasivación en la superficie del ánodo es crucial para la capacidad electroquímica y la vida útil de una batería de iones de litio porque se somete a una gran tensión en cada ciclo de carga. Cuando el SEI se rompe durante este proceso, el electrolito se descompone aún más y la capacidad de la batería se reduce, un proceso que determina la vida útil de una batería.
Con el conocimiento adecuado del crecimiento y la composición de SEI, se pueden controlar las propiedades de una batería. Pero hasta ahora, ningún enfoque experimental o asistido por computadora fue suficiente para descifrar los complejos procesos de crecimiento de SEI que tienen lugar a una escala muy amplia y en diferentes dimensiones.
Estudie como parte de la iniciativa de la UE BATTERY 2030+
Investigadores del Instituto KIT de Nanotecnología (INT) ahora lograron caracterizar la formación del SEI con un enfoque de múltiples escalas. "Esto resuelve uno de los grandes misterios sobre una parte esencial de todas las baterías de electrolito líquido, especialmente las baterías de iones de litio que todos usamos todos los días", dice el profesor Wolfgang Wenzel, director del grupo de investigación "Modelado de materiales multiescala y diseño virtual" en INT, que participa en la iniciativa de investigación europea a gran escala BATTERY 2030+ que tiene como objetivo desarrollar baterías de alto rendimiento seguras, asequibles, duraderas y sostenibles para el futuro.
Los investigadores de KIT informan sobre sus hallazgos en la revista Advanced Energy Materials.
Más de 50 000 simulaciones para diferentes condiciones de reacción
Para examinar el crecimiento y la composición de la capa de pasivación en el ánodo de las baterías de electrolito líquido, los investigadores del INT generaron un conjunto de más de 50 000 simulaciones que representaban diferentes condiciones de reacción. Descubrieron que el crecimiento del SEI orgánico sigue una vía mediada por solución: primero, los precursores del SEI que se forman directamente en la superficie se unen lejos de la superficie del electrodo a través de un proceso de nucleación.
El rápido crecimiento posterior de los núcleos conduce a la formación de una capa porosa que finalmente cubre la superficie del electrodo. Estos hallazgos ofrecen una solución a la situación paradójica de que los constituyentes SEI pueden formarse solo cerca de la superficie, donde los electrones están disponibles, pero su crecimiento se detendría una vez que se cubriera esta estrecha región.
"Pudimos identificar los parámetros de reacción clave que determinan el espesor de SEI", explica el Dr. Saibal Jana, un postdoctorado en INT y uno de los autores del estudio. “Esto permitirá el desarrollo futuro de electrolitos y aditivos adecuados que controlen las propiedades del SEI y optimicen el rendimiento y la vida útil de la batería”.
