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(noticias nanowerk) Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado una nueva batería de litio-metal que se puede cargar y descargar al menos 6.000 veces, más que cualquier otra batería de bolsa, y recargarse en una sola lata. será cuestión de minutos.
La investigación no sólo describe una nueva forma de producir baterías de estado sólido con un ánodo de metal de litio, sino que también ofrece nuevos conocimientos sobre los materiales utilizados para estas baterías potencialmente revolucionarias.
La investigación se publica en Materiales naturales (“Ciclos rápidos de litio metálico en baterías de estado sólido a través de materiales anódicos sensibles al cuello”).
«Las baterías de ánodo de metal de litio se consideran el santo grial de las baterías porque tienen una capacidad diez veces mayor que los ánodos de grafito comerciales y podrían ampliar drásticamente la distancia de conducción de los vehículos eléctricos», dijo Xin Li, profesor asociado de ciencia de materiales en SEAS y autor principal de el papel. «Nuestra investigación es un paso importante hacia baterías de estado sólido más prácticas para aplicaciones industriales y comerciales».
Uno de los mayores desafíos en el diseño de estas baterías es la formación de dendritas en la superficie del ánodo. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y penetran la barrera entre el ánodo y el cátodo, provocando un cortocircuito o incluso un incendio en la batería.
Estas dendritas se forman cuando los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo durante la carga y se adhieren a la superficie del ánodo en un proceso llamado revestimiento. El recubrimiento del ánodo crea una superficie irregular y no homogénea, similar a la placa dental, y permite la formación de raíces de dendritas. Durante la descarga, este recubrimiento en forma de placa debe retirarse del ánodo. Si el recubrimiento es desigual, el proceso de extracción puede ser lento y provocar baches, lo que resultará en un recubrimiento aún más desigual en la siguiente carga.
En 2021, Li y su equipo propusieron una forma de lidiar con las dendritas diseñando una batería multicapa que insertaba diferentes materiales con diferente estabilidad entre el ánodo y el cátodo (Naturaleza, “Una estrategia de diseño de estabilidad dinámica para baterías de estado sólido de metal litio”). Este diseño multicapa y multimaterial impidió que las dendritas de litio invadieran, no deteniéndolas por completo, sino controlándolas y conteniéndolas.
En esta nueva investigación, Li y su equipo evitan la formación de dendritas mediante el uso de partículas de silicio del tamaño de una micra en el ánodo para limitar la reacción de litiación y permitir un recubrimiento homogéneo de una capa gruesa de litio metálico.
En este diseño, a medida que los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo durante la carga, la reacción de litiación en la superficie plana se restringe y los iones se adhieren a la superficie de la partícula de silicio pero no penetran más. Esto es significativamente diferente de la química de las baterías de iones de litio líquidas, donde los iones de litio penetran a través de una profunda reacción de litiación y finalmente destruyen las partículas de silicio en el ánodo.
Sin embargo, en una batería de estado sólido, los iones de la superficie del silicio se concentran y se someten al proceso dinámico de litiación para formar una capa de metal litio alrededor del núcleo de silicio.
«En nuestro diseño, el metal de litio se envuelve alrededor de las partículas de silicio, como una cáscara de chocolate duro alrededor del centro de una avellana en una trufa de chocolate», dijo Li.
Estas partículas recubiertas crean una superficie homogénea sobre la que se distribuye uniformemente la densidad de corriente, evitando así el crecimiento de dendritas. Y como el revestimiento y el desmontaje se pueden realizar rápidamente sobre una superficie plana, la batería se puede cargar en tan solo unos 10 minutos.
Los investigadores construyeron una versión de la batería con una celda de bolsa del tamaño de un sello postal que es de 10 a 20 veces más grande que la celda de botón fabricada en la mayoría de los laboratorios universitarios. Después de 6000 ciclos, la batería conservó el 80 % de su capacidad, superando a otras baterías de tipo bolsa del mercado actual. La tecnología obtuvo la licencia a través de la Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard para Adden Energy, una empresa derivada de Harvard cofundada por Li y tres ex alumnos de Harvard. La compañía ha ampliado la tecnología para construir una batería de tipo bolsa del tamaño de un teléfono inteligente.
Li y su equipo también caracterizaron las propiedades que permiten al silicio restringir la difusión del litio para facilitar el proceso dinámico que promueve un recubrimiento homogéneo de litio espeso. Luego definieron un descriptor de propiedad único para describir dicho proceso y lo calcularon para todos los materiales inorgánicos conocidos. En el proceso, el equipo descubrió docenas de otros materiales que potencialmente podrían funcionar de manera similar.
«Investigaciones anteriores habían sugerido que otros materiales, incluida la plata, podrían servir como buenos materiales en el ánodo de las baterías de estado sólido», dijo Li. «Nuestra investigación explica un posible mecanismo subyacente del proceso y proporciona un camino para identificar nuevos materiales para diseño de la batería «.
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