Ante el desafío del cambio climático y la demanda de energía limpia, ha aumentado la preocupación por la fabricación de baterías con un alto nivel de seguridad y mayor capacidad, lo cual es crucial para respaldar el crecimiento continuo de los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía de la red.
Una nueva generación de baterías de iones de litio desarrollada por un equipo dirigido por el Dr. Dong-Myeong Shin del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Hong Kong (HKU) allana el camino para una solución viable. El equipo ha descubierto una serie de electrolitos sólidos de red aniónica que pueden formar parte integral de la nueva batería, que es más segura, tiene mayor densidad de potencia y tiene un ciclo de vida más largo.
Gráficos que muestran la batería de iones de litio de electrolito líquido ordinario (izquierda) y el electrolito de polímero conductor de ion único diseñado por el equipo de investigación (derecha)
Hacia una nueva generación de baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio han sido las baterías más utilizadas con su tecnología de almacenamiento de energía de última generación. Actualmente, la tecnología de baterías comerciales se caracteriza principalmente por electrolitos líquidos y ánodos carbonosos, lo que tiene las desventajas de problemas de seguridad, vida útil limitada y densidad de energía insuficiente.
Los hallazgos se publicaron en el Chemical Engineering Journal en un artículo titulado Engineered networking in a family of solvent-free single-ion conducting borate network polymer electrolytes for Li-metal battery applications.
En los electrolitos líquidos, los cationes de litio y los aniones contrarios se mueven en direcciones opuestas para conducir la electricidad. Normalmente, los aniones se mueven al menos cuatro veces más rápido que los cationes de litio y, por lo tanto, la transferencia de cationes de litio contribuye solo con una pequeña fracción (20 %) de la corriente iónica total, mientras que los aniones excesivos se acumulan en la interfaz entre el electrodo y el electrolito, lo que provoca cortocircuitos internos y la capacidad se desvanece de la batería.
La inflamabilidad de los electrolitos líquidos, la inestabilidad con respecto al metal de litio y la baja selectividad iónica para la conducción están impulsando la investigación hacia electrolitos sólidos que puedan proporcionar niveles aceptables de seguridad y que sean compatibles con el ánodo de metal de litio, que actualmente exhibe la capacidad de potencia específica teórica más alta.
Mayor transporte catiónico
Los electrolitos poliméricos conductores de un solo ion diseñados por el equipo del Dr. Shin encontraron un aumento notable (al menos 4 veces) en el transporte catiónico. Los polímeros de red aniónicos diseñados por el equipo consisten en aniones de borato unidos por enlazadores de etilenglicol ramificados de diferentes proporciones estequiométricas, en los que los aniones están unidos a la estructura del polímero, lo que permite un transporte catiónico altamente selectivo.
La conductividad catiónica dentro del polímero se controló mediante ingeniería sistemática de movilidad segmentaria, lo que ayudó a trazar las reglas de diseño integrales para una nueva clase de electrolitos sólidos altamente conductivos.
A medida que los electrolitos poliméricos conductores de un solo ion superan con éxito los problemas persistentes de los electrolitos sólidos actuales en las celdas de las baterías, como la baja ciclabilidad y el alto sobrepotencial, se predice una nueva regla de diseño para electrolitos selectivos de iones para acelerar la realización de baterías de litio recargables. baterías metálicas.
«Creemos que los electrolitos poliméricos conductores de un solo ión abrirían la posibilidad de nuevas químicas de batería que revolucionarán el campo de las baterías recargables y ofrecerán un alto nivel de seguridad, alta densidad de potencia y un ciclo de vida prolongado», dijo Jingyi Gao, el primer autor del artículo y estudiante de doctorado del Dr. Shin.
Los electrolitos selectivos de iones en las baterías también pueden resultar en una carga rápida debido al bajo sobrepotencial, agrega el Dr. Shin.
“Puede permitir que los vehículos eléctricos se carguen por completo en el tiempo necesario para tomar una taza de café. Esta notable ventaja desbloqueará una nueva era de un mundo de energía limpia”.
Enlace del artículo publicado en Chemical Engineering Journal :
Jingyi Gao, Jiaming Zhou, Cong Wang, Xiaoting Ma, Ke Jiang, Eunjong Kim, Chang Li, Hongzhen Liu, Lizhi Xu, Ho Cheung Shum, Shien-Ping Feng, Dong-Myeong Shin https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138407
Abstracto
Como tecnología de almacenamiento de energía de última generación, las baterías de iones de litio han atraído mucha atención, pero sus densidades de energía finitas no pueden satisfacer la abrumadora demanda de almacenamiento de energía a gran escala y los electrolitos líquidos inflamables comerciales también están plagados de problemas de seguridad. Se espera que los electrolitos de polímeros de un solo ion sin solventes con excelentes propiedades electroquímicas resuelvan estos problemas y mejoren la densidad de energía de la tecnología de baterías de próxima generación. Aquí, diseñamos la red de una serie de electrolitos de polímeros de red aniónicos sin solventes para mejorar el transporte iónico para aplicaciones de baterías de metal de litio. Los polímeros de la red aniónica se formaron como una estructura diamantada que consiste en aniones de borato unidos por enlazadores de etilenglicol ramificados de diferentes proporciones estequiométricas, permitiendo la movilidad segmentaria controlada de polímeros de red. La creciente movilidad segmentaria ofreció una elevadaconductividad iónica , lo que revela que el transporte iónico se controló principalmente mediante la ingeniería de las movilidades segmentarias de los polímeros, especialmente a la distancia interaniónica dada. Sin embargo, hubo un transporte iónico restringido en la dinámica segmentaria rápida de los polímeros de red con ramificaciones libres, lo que implica que la ramificación contribuiría menos al transporte iónico en comparación con la distancia interaniónica probablemente debido a la frustración de cambiar el sitio de coordinación. El polímero de red destacado exhibió una notable selectividad de iones en el transporte de cationes Li+ y una alta estabilidad oxidativa. El ciclo galvanostático revela una excelente resistencia al crecimiento de dendritas, lo que sugiere que el polímero de red sin disolventes puede servir como un potente electrolito para las baterías de metal de litio.
Fuente: The University of Hong Kong
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