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Metal semilíquido para baterías de litio

Un ánodo de metal semilíquido de litio representa un nuevo paradigma en el diseño de baterías. Las baterías de litio fabricadas con este nuevo tipo de electrodo podrían tener una mayor capacidad y ser mucho más seguras que las baterías típicas basadas en litio metálico que usan lámina de litio como ánodo. Ha sido desarrollado por un equipo de investigación interdisciplinario de la Facultad de Ciencias Mellon y la Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon y se publicaron sus hallazgos en la edición actual de Joule.

Las baterías de litio son uno de los tipos más comunes de baterías recargables que se utilizan en la electrónica moderna debido a su capacidad para almacenar grandes cantidades de energía. Tradicionalmente, estas baterías están hechas de electrolitos líquidos combustibles y dos electrodos, un ánodo y un cátodo, que están separados por una membrana. Después de que una batería se haya cargado y descargado repetidamente, pueden crecer hebras de litio llamadas dendritas en la superficie del electrodo. Las dendritas pueden perforar la membrana que separa los dos electrodos. Esto permite el contacto entre el ánodo y el cátodo, lo que puede provocar un cortocircuito en la batería y, en el peor de los casos, provocar un incendio.

«Incorporar un ánodo de litio metálico en las baterías de iones de litio tiene el potencial teórico de crear una batería con mucha más capacidad que una batería con un ánodo de grafito», dijo Krzysztof Matyjaszewski, profesor de Ciencias Naturales de la Universidad JC Warner en el Departamento de Química de Carnegie Mellon. «Pero, lo más importante que debemos hacer es asegurarnos de que la batería que creamos sea segura».

Una solución propuesta para los electrolitos líquidos volátiles utilizados en las baterías actuales es reemplazarlos con electrolitos cerámicos sólidos. Estos electrolitos son altamente conductores, no combustibles y lo suficientemente fuertes como para resistir las dendritas. Sin embargo, los investigadores han encontrado que el contacto entre el electrolito cerámico y un ánodo de litio sólido es insuficiente para almacenar y suministrar la cantidad de energía necesaria para la mayoría de los componentes electrónicos.

Litio semilíquido para baterías
Los investigadores de Carnegie Mellon han desarrollado una matriz de compuesto doble de polímero / carbono con micropartículas de litio que podrían usarse como electrodos en baterías de la próxima generación. Crédito: Universidad Carnegie Mellon

Sipei Li, un estudiante de doctorado en el Departamento de Química de Carnegie Mellon, y Han Wang, un estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Carnegie Mellon’s, pudieron superar esta deficiencia al crear una nueva clase de material que puede usarse como semilíquido ánodo de metal.
Trabajando con Matyjaszewski de Mellon College of Science, líder en química de polímeros y ciencia de materiales, y Jay Whitacre, profesor fiduciario de energía en la Facultad de ingeniería y director del Instituto Wilton E. Scott para la innovación energética en Carnegie Mellon, quien es reconocido Por su trabajo en el desarrollo de nuevas tecnologías para el almacenamiento y la generación de energía, Li y Wang crearon una matriz compuesta de polímero / carbono de doble conducción que tiene micropartículas de litio distribuidas uniformemente en todas partes.

La matriz permanece fluida a temperaturas ambiente, lo que le permite crear un nivel suficiente de contacto con el electrolito sólido.

Al combinar el ánodo de metal semilíquido con un electrolito cerámico sólido a base de granate, fueron capaces de ciclar la celda a una densidad de corriente 10 veces mayor que las celdas con un electrolito sólido y un tradicional ánodo de lámina de litio. Esta célula también tenía un ciclo de vida mucho más largo que las células tradicionales.

«Esta nueva ruta de procesamiento conduce a un ánodo de batería a base de metal litio que es fluido y tiene una seguridad y un rendimiento muy atractivos en comparación con el metal litio ordinario. Implementar un nuevo material como este podría conducir a un cambio gradual en las baterías recargables basadas en litio, y estamos trabajando duro para ver cómo funciona esto en una variedad de arquitecturas de baterías «, dijo Whitacre.

Los investigadores creen que su método podría tener impactos de gran alcance. Por ejemplo, podría utilizarse para crear baterías de alta capacidad para vehículos eléctricos y baterías especializadas para usar en dispositivos portátiles que requieren baterías flexibles. También creen que sus métodos podrían extenderse más allá del litio a otros sistemas de baterías recargables, incluidas las baterías de metal de sodio y las baterías de metal de potasio, y podrían utilizarse en el almacenamiento de energía a escala de red.

Los investigadores de Carnegie Mellon han desarrollado una matriz de compuesto doble de polímero / carbono con micropartículas de litio que podrían usarse como electrodos en baterías de la próxima generación. Crédito: Universidad Carnegie Mellon

Más información:Sipei Li et al, A Semiliquid Lithium Metal Anode, Joule(2019). DOI: 10.1016 / j.joule.2019.05.022
Información del diario: Joule

Fuente: Carnegie Mellon University