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Las baterías de iones de litio rompen récord de densidad de energía
Los investigadores han logrado fabricar baterías de litio recargables tipo bolsa con una densidad de energía récord de más de 700 Wh/kg. El nuevo diseño comprende un cátodo basado en manganeso rico en litio de alta capacidad y un ánodo delgado de metal de litio con alta energía específica. Si se desarrolla más, el dispositivo podría encontrar uso en aplicaciones como la aviación eléctrica, que requiere baterías de densidad de energía mucho más altas que las disponibles en la actualidad.
Las baterías de iones de litio son una tecnología clave para ayudar a alcanzar los objetivos de neutralidad climática. Se utilizan cada vez más para impulsar vehículos eléctricos y como componentes principales de dispositivos domésticos que almacenan energía generada a partir de fuentes renovables. La tecnología también ha avanzado mucho: desde que Sony las comercializó por primera vez en 1991, la densidad de energía de las baterías de iones de litio ha aumentado de 80 Wh/kg a alrededor de 300 Wh/kg.
Sin embargo, lograr una economía verdaderamente libre de carbono requerirá baterías de mejor rendimiento que las que puede ofrecer la tecnología actual de iones de litio. En los vehículos eléctricos, por ejemplo, una consideración clave es que las baterías sean lo más pequeñas y livianas posible. Lograr ese objetivo requiere densidades de energía superiores a 400 Wh/kg. El problema es que las baterías de iones de litio de hoy en día contienen principalmente cátodos de tipo intercalado (por ejemplo, LiFePO4, LiCoO2 o LiNixMnyCozO2, x+y+z=1) y ánodos basados en grafito, y la densidad de energía de estos electrodos se acerca a su límite superior. límite.
Alto voltaje de carga y descarga
En el nuevo trabajo, los investigadores dirigidos por Xiqian Yu y Hong Li del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China en Beijing, han fabricado prácticas baterías de litio recargables tipo bolsa utilizando un Li1.2Ni0.13Co0 ultragrueso de alta capacidad de descarga. Cátodo de 13Mn0.54O2 con capacidad superficial superior a 10 mAh/cm2 y ánodo de metal litio. El alto voltaje de carga y descarga de los óxidos a base de manganeso ricos en litio permite una mayor capacidad de almacenamiento de iones de litio.
"El electrodo de ánodo emplea litio de metal ultrafino incorporado mediante una técnica de recubrimiento de separador, que aborda el molesto problema de la deposición reversible de litio ultrafino de gran capacidad superficial", explica el primer autor Quan Li.
Los dispositivos cuentan con una densidad de energía gravimétrica de 711,3 Wh/kg y una densidad de energía volumétrica de 1653,65 Wh/L, las cuales son las más altas en baterías de litio recargables basadas en un cátodo de tipo intercalado, dice Li a Physics World.
“Con respecto a la fabricación de la batería, nuestro diseño de estructura de batería de extremidad (incluido el uso de colectores de corriente ultrafinos) se diseñó para minimizar el uso de materiales auxiliares y mejorar la proporción de materiales activos en toda la batería”, agrega. “Este enfoque sinérgico es lo que permitió la densidad de energía ultraalta de las baterías”.
Los vehículos eléctricos de largo alcance y la aviación eléctrica podrían beneficiarse
Los nuevos dispositivos podrían beneficiar a los vehículos eléctricos de largo alcance y a la aviación eléctrica, los cuales exigen cada vez más la densidad de energía de la batería. La investigación también podría ayudar a abordar algunos de los problemas inherentes asociados con la tecnología de baterías, dice Li.
“Por ejemplo, ofrece información sobre cómo equilibrar la seguridad y otros factores importantes en las baterías de alta densidad de energía, lo que ayudará en la realización práctica de baterías de alta densidad de energía en el futuro. La investigación sobre baterías con densidades de energía cercanas a los límites teóricos también ayudará a mejorar nuestro conocimiento de la iónica y la electroquímica de estado sólido, lo que quizás permita la innovación tecnológica en nuevos materiales y sistemas de baterías”.
Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Chinese Physics Letters, explican que siempre existe una compensación entre la densidad de energía, el rendimiento del ciclo, la capacidad de velocidad y la seguridad de las baterías de iones de litio. La seguridad es un requisito principal, pero la densidad de energía elevada aumentará los riesgos durante el funcionamiento de la batería, dicen. “La densidad de energía debe mejorarse gradualmente al mismo tiempo que se garantiza la seguridad”, dice Li. “Nuestro objetivo es mejorar el rendimiento de la seguridad de las baterías a través de la tecnología de baterías de estado sólido, haciendo que las baterías de alta densidad de energía sean más prácticas”.
El rendimiento del ciclo de las baterías de alta densidad de energía también sigue siendo inferior al de las baterías comercializadas actualmente, agrega. “Este parámetro debe considerarse de manera integral para cumplir con los requisitos de campos específicos. Por lo tanto, la aplicación práctica de las baterías de ultra alta densidad de energía llevará un tiempo considerable. Abordar los desafíos que dificultan su uso práctico será la dirección continua de nuestros futuros esfuerzos de investigación”.
