Nuevo carbono

Característica del 18 de julio de 2023

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Las baterías totalmente de estado sólido (ASSB, por sus siglas en inglés), tecnologías de baterías con electrodos sólidos y electrolitos sólidos, se han convertido en el foco de un número cada vez mayor de estudios de investigación. Esto se debe principalmente a que podrían superar significativamente a las baterías con electrolitos líquidos o poliméricos tanto en términos de seguridad como de densidad de potencia.

Una de las combinaciones de materiales sólidos más prometedoras para los ASSB son los electrolitos sólidos de sulfuro y los ánodos de metal de litio (Li). Sin embargo, mientras están en funcionamiento, los ánodos de metal Li pueden perder rápidamente su capacidad y dejar de funcionar correctamente, debido al crecimiento de dendritas y reacciones químicas interfaciales.

Investigadores del Instituto de Tecnologías Avanzadas de Almacenamiento de Energía del Lago Tianmu, la Academia de Ciencias de China y otros institutos en China crearon recientemente nuevos ánodos de Li-Si que podrían ayudar a mejorar el rendimiento de los ASSB, reduciendo su riesgo de falla. Estos ánodos, presentados en un artículo publicado en Nature Energy, pueden suprimir el crecimiento de dendritas de litio, estabilizando el ciclo de la batería a largo plazo.

"Los ASSB con ánodos de metal Li o ánodos de Si son candidatos prometedores para lograr una alta densidad de energía y una mayor seguridad, pero sufren un crecimiento indeseable de dendritas de litio o una enorme expansión de volumen, respectivamente", escribieron Wenlin Yan, Zhenliang Mu y sus colegas en su artículo. .

"Sintetizamos un ánodo de aleación de Li-Si estabilizado con carbono duro en el que la sinterización de Si conduce a la transformación de partículas micrométricas en un continuo denso. Una red conductora iónica-electrónica tridimensional compuesta de fases ricas en Li plásticamente deformables (Li15Si4 y LiC6) que amplía el área activa y alivia la concentración de tensión en el ánodo, lo que mejora la cinética del electrodo y la estabilidad mecánica".

Los investigadores crearon su ánodo mediante una simple reacción inducida por la presión entre una película que contenía Si y una lámina de Li. Luego probaron su rendimiento en una serie de simulaciones y experimentos, integrándolos en celdas con uno de dos cátodos diferentes, así como un electrolito basado en Li6PS5Cl.

"Con el ánodo de Li-Si estabilizado con carbono duro, las celdas completas que utilizan cátodos LiCoO2 o LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 y electrolito Li6PS5Cl logran una capacidad de velocidad y estabilidad de ciclo favorables", escribieron Yan, Mu y sus colegas.

"En particular, el ASSB con LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 con una carga alta de 5,86 mAh cm-2 ofrece 5.000 ciclos a 1 C (5,86 mA cm-2), lo que demuestra el potencial del uso de Li-Si estabilizado con carbono duro. ánodos de aleación para aplicaciones prácticas de ASSB".

En las pruebas iniciales, el ánodo de Li-Si estabilizado con carbono creado por este equipo de investigadores pareció funcionar muy bien, suprimiendo eficazmente el crecimiento de dendritas y mejorando la densidad de corriente de los ASSB. En comparación con otros ánodos basados ​​en materiales sólidos introducidos en el pasado, también podría ser más estable y lograr un mejor rendimiento electroquímico.

En el futuro, este estudio reciente y el nuevo ánodo que ha introducido podrían inspirar la creación de otros componentes prometedores y de alto rendimiento para ASSB. En conjunto, estos esfuerzos de investigación podrían contribuir a la comercialización de ASSB, lo que podría tener implicaciones importantes para el despliegue a gran escala de vehículos eléctricos y otras tecnologías de vanguardia.

Más información: Wenlin Yan et al, Ánodos de Li-Si estabilizados con carbono duro para baterías de iones de litio de estado sólido de alto rendimiento, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01279-8

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