Marco de diseño para la educación superior. a, Diagrama que ilustra la compensación aparente entre la conductividad iónica y la estabilidad electroquímica al ajustar la fuerza de solvatación. Círculos grises, racimos individuales. b, Concepto de diseño de aumento de la entropía de solvatación para mejorar la solvatación iónica y aumentar la conductividad iónica. Gsolv, Hsolv y Ssolv representan energía libre de solvatación, entalpía y entropía, respectivamente. c, La diversidad molecular de HEE aumenta la entropía de solvatación, lo que cambia el equilibrio termodinámico para promover la disociación de iones y suprimir la formación de grupos. Los cuadrados grandes representan la disposición de los electrolitos. d, HEE tiene grupos de iones más pequeños que LEE. Los círculos grandes representan la disposición de los electrolitos. Préstamo: La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01280-1
Para satisfacer las crecientes demandas de la industria electrónica, los ingenieros y científicos de materiales se esfuerzan constantemente por mejorar el rendimiento de la tecnología de baterías. Las baterías de metal de litio (Li), es decir, las baterías con un ánodo de metal de litio, se encuentran entre las soluciones de batería más conocidas y ampliamente estudiadas.
Si bien estas baterías han existido durante décadas, los científicos han estado tratando recientemente de mejorar su rendimiento utilizando técnicas de nanoingeniería, así como electrolitos sólidos o líquidos alternativos. El diseño de nuevos electrolitos prometedores podría ayudar a aumentar significativamente la estabilidad y el ciclo de vida de las celdas de metal de litio.
Investigadores de la Universidad de Stanford introdujeron recientemente una nueva estrategia para diseñar electrolitos de alta entropía para baterías de metal de litio. Esta estrategia, esbozada en el artículo de La energía de la naturalezales permitió identificar electrolitos prometedores que mejoran significativamente la estabilidad cíclica de las baterías a altas densidades de corriente.
“Los avances recientes en electrolitos han mejorado en gran medida la ciclicidad al aumentar la estabilidad electroquímica en las interfaces de los electrodos, pero lograr una alta conductividad iónica al mismo tiempo sigue siendo un desafío”, escribieron Sang Cheol Kim, Jingyang Wang y sus colegas en su artículo. “Proporcionamos una estrategia de diseño de electrolitos para baterías de metal de litio mejoradas al aumentar la diversidad molecular de los electrolitos, lo que esencialmente conduce a electrolitos de alta entropía”.
El objetivo principal del trabajo reciente de Kim, Wang y sus colegas fue facilitar el diseño de electrolitos con capacidades mejoradas de transporte de iones que no comprometieran la estabilidad de las baterías de metal de litio. Con este fin, introdujeron una estrategia que se puede utilizar para modular las estructuras de los disolventes en electrolitos débilmente solvatantes en los que hay muchos grupos de iones.
En su investigación, aplicaron la estrategia propuesta utilizando técnicas de dispersión de rayos X y ejecutando simulaciones de dinámica molecular (MD) (es decir, simulaciones informáticas de sistemas moleculares). Esto les permitió identificar las características que hacen que los electrolitos de las baterías de metal de litio sean particularmente ventajosos, tanto en términos de estabilidad como de conductividad iónica.
“Descubrimos que en los electrolitos que se solvatan débilmente, el efecto de entropía reduce la acumulación de iones al tiempo que conserva las estructuras de solvatación características ricas en aniones que se caracterizan por la dispersión de rayos X basada en sincrotrón y las simulaciones de dinámica molecular”, escribieron Kim, Wang y sus investigadores en su artículo.
“Los electrolitos con tamaños de agrupamiento más pequeños muestran el doble de conductividad iónica en comparación con los electrolitos de solvatación débil convencionales, lo que permite ciclos estables a densidades de corriente altas de hasta 2C (6,2 mA cm-−2) en LiNi sin ánodo0.6Minnesota0.2Estafa0.2 (NMC622)||Células de bolsa de cobre. La eficacia de la estrategia de diseño se valida al mejorar el rendimiento en tres sistemas electrolíticos de solvatación débil diferentes”.
Un nuevo enfoque propuesto por Kim, Wang y sus colegas pronto puede ayudar a diseñar una amplia gama de electrolitos prometedores para baterías de metal de litio, contribuyendo a la búsqueda continua para mejorar su rendimiento. Estas mejores baterías, a su vez, alimentan una amplia gama de dispositivos electrónicos, incluidos vehículos eléctricos o híbridos, equipos médicos y otras tecnologías avanzadas.
“Prevemos que este trabajo podría estimular los esfuerzos para desarrollar HEE que podrían acercar las baterías de metal de litio a las aplicaciones prácticas y desarrollar ampliamente soluciones de alta entropía con excelentes propiedades para una variedad de aplicaciones”, escribieron los investigadores.
Más información:
Sang Cheol Kim et al., Electrolitos de alta entropía para baterías prácticas de metal de litio, La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01280-1
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