Nueva estructura de batería de litio-metal promete una carga rápida y una alta densidad - World Energy Trade

Nueva estructura de batería de litio-metal promete una carga rápida y una alta densidad

Nueva estructura de batería de litio-metal promete una carga rápida y una alta densidad

Se trata de una novedosa batería de litio-metal de alta capacidad con mayor rendimiento y estabilidad

Investigación, Desarrollo e Innovación

Las baterías de iones de litio que se utilizan hoy en día tienen un componente anódico hecho de grafito. Pero en las baterías de litio-metal, los científicos lograron utilizar el propio litio metálico como ánodo en lugar del voluminoso y pesado grafito. Como el litio metálico tiene una capacidad teórica diez veces superior a la de los ánodos de carbono estándar, ha ido ganando mucha atención en ámbitos que necesitan baterías de gran capacidad, como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía.

Un estudio sobre las baterías de Li-metal realizado por el equipo de investigación dirigido por el Dr. Byung Gon Kim en el Centro de Investigación de Baterías de Próxima Generación del Instituto de Investigación Electrotécnica de Corea (KERI) fue publicado como artículo de portada en la revista internacional ACS Nano.

Ventajas de la nueva estructura de litio-metal

El nuevo diseño controla cuidadosamente el problemático crecimiento de los iones en las baterías de litio-metal, lo que les permite mantener su función durante cientos de ciclos.

Mientras que las actuales baterías de iones de litio generan energía introduciendo y liberando iones de litio del ánodo de grafito mediante el mecanismo de intercalación, la batería de litio-metal no depende de este voluminoso y pesado grafito, sino que utiliza el propio litio metálico como ánodo.

Como el Li-metal muestra una capacidad teórica 10 veces superior (3.860 mAh/g) a la del grafito (372 mAh/g), ha ido ganando mucha atención en ámbitos que necesitan baterías de alta capacidad, como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía.

A pesar de esta ventaja, el Li puede crecer en forma de rama de árbol, lo que se denomina dendrita de Li, si no se almacena de forma uniforme y eficaz durante el proceso de ciclado, lo que provoca una gran expansión del volumen del electrodo, que a su vez puede acortar la vida útil de la batería y causar problemas de seguridad como incendios y explosiones provocados por cortocircuitos internos.

Solución a la dendrita

Para solucionar este problema, un equipo de investigación del KERI ha desarrollado un carbón hueco poroso unidimensional que puede contener Li con un núcleo hueco para que sirva de ánodo. El nuevo diseño de las estructuras de la batería incorpora un pequeño número de nanopartículas de oro con afinidad al Li en el núcleo hueco. El oro controla la dirección de crecimiento del Li reaccionando preferentemente con éste, induciendo así la deposición de Li en el interior del núcleo.

El KERI desarrolló una estructura de carbono poroso 1D con afinidad al Li con un núcleo hueco, y se añadió un pequeño número de nanopartículas de oro con afinidad al Li al núcleo hueco.

Uno de los principales problemas observados en el actual anfitrión de Li de núcleo hueco era la deposición de Li en la cubierta de carbono conductora, y no en el interior del núcleo, en condiciones de carga de alta velocidad. Por lo tanto, el equipo del KERI introdujo muchos poros de tamaño nanométrico en la cáscara, y logró mejorar significativamente la eficiencia coulómbica sin el crecimiento de dendritas de Li, incluso bajo una condición de prueba de alta corriente de 5 mA/cm2.

El Dr. Kim dijo, "nuestro estudio tiene un valor incalculable porque hemos desarrollado una técnica para la producción en masa de depósitos de Li-metal con una alta eficiencia coulómbica para las baterías de Li-metal de recarga rápida."

El equipo del Dr. Kim colaboró con el profesor Janghyuk Moon de la Universidad de Chung-Ang para la validación teórica de la eficacia del diseño de este material, y los resultados de la simulación mostraron que la reducción de la longitud de difusión del ión Li por los poros de la carcasa y la mejora de la afinidad del Li por las nanopartículas de oro mantenían la deposición del Li dentro de la estructura incluso en condiciones de carga de alta corriente.

Además, el anfitrión de Li diseñado mostró un excelente rendimiento en ciclos de más de 500 ciclos bajo una alta densidad de corriente de 4C (82,5% de retención de capacidad).

También es destacable que esta tecnología cumple con la practicidad porque el equipo utilizó la técnica de electrospinning con ventajas en la producción en masa para la síntesis del material.

 

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