Ilustración esquemática de los mecanismos de ánodo de Si, LiSi y LiSH46 en el ASSB. Fuente: Yan et al.
Las baterías de estado sólido (ASSB, por sus siglas en inglés), tecnologías de baterías con electrodos sólidos y electrolitos sólidos, se están convirtiendo en el foco de un número cada vez mayor de estudios de investigación. Esto se debe principalmente a que pueden superar significativamente a las baterías de electrolitos poliméricos o líquidos en términos de seguridad y densidad de potencia.
Una de las combinaciones más prometedoras de materiales sólidos para ASSB son los electrolitos de sulfuro sólido y los ánodos de metal de litio (Li). Sin embargo, durante el funcionamiento, los ánodos de metal de litio pueden perder rápidamente su capacidad y dejar de funcionar correctamente debido al crecimiento de dendritas y reacciones químicas interfaciales.
Investigadores del Instituto de Tecnología Avanzada de Almacenamiento de Energía del Lago Tianmu, la Academia de Ciencias de China y otros institutos en China han desarrollado recientemente nuevos ánodos de Li-Si que pueden ayudar a mejorar el rendimiento de ASSB al reducir el riesgo de falla. Estos ánodos, presentados en un artículo publicado en La energía de la naturalezapuede inhibir el crecimiento de las 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 seguridad mejorada, pero sufren un crecimiento indeseable de dendritas de litio o una expansión de volumen masiva, respectivamente”, escribieron Wenlin Yan, Zhenliang Mu y sus colegas en su artículo.
“Estamos sintetizando un ánodo de aleación de Li-Si estabilizado con carbono duro donde la sinterización de Si transforma partículas del tamaño de un micrómetro en un continuo denso. Red tridimensional conductora de iones electrónicos compuesta por fases plásticamente deformables ricas en Li (Li15si4 y LiC6), lo que aumenta el área activa y reduce la concentración de tensión en el ánodo, lo que conduce a una mejor cinética del electrodo y estabilidad mecánica.
Los investigadores crearon su ánodo a través de una simple reacción inducida por presión entre la capa que contiene Si y la lámina de Li. Luego probaron su rendimiento en una serie de simulaciones y experimentos, integrándolo en celdas con uno de dos cátodos diferentes, así como un electrolito a base de litio.6PD5cl.
“Con ánodo de Li-Si estabilizado con carbón duro, celdas completas que usan LiCoO2 o LiNi0.8Estafa0.1Minnesota0.1ACERCA DE2 cátodos y Li6PD5El electrolito Cl logra una estabilidad y una velocidad de ciclo favorables”, escriben Yan, Mu y sus colegas.
“En particular ASSB con LiNi0.8Estafa0.1Minnesota0.1ACERCA DE2 a alta carga 5,86 mAh cm−2 ofrece 5000 ciclos a 1 C (5,86 mA cm−2), lo que demuestra el potencial de los ánodos de aleación de Li-Si estabilizados con carbono duro para aplicaciones prácticas de ASSB”.
En las pruebas iniciales, el ánodo de Li-Si estabilizado con carbono desarrollado por este equipo de científicos funcionó muy bien, inhibiendo de manera efectiva el crecimiento de las dendritas y mejorando la densidad de corriente ASSB. En comparación con otros ánodos de base sólida introducidos en el pasado, también puede ser más estable y lograr un mejor rendimiento electroquímico.
En el futuro, este último estudio y el nuevo ánodo presentado en él pueden inspirar la creación de otros componentes ASSB prometedores y de alto rendimiento. 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, La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01279-8
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