Formación de una capa SEI rica en inorgánicos a través de un mecanismo de autolimpieza. a) Estructura química de LiFEA similar al éter pseudocorona. μ, momento dipolar de LiFEA. b) Capa SEI rica en materia orgánica en electrolito de carbonato y morfología de lecho poroso de litio. c) Formación de SEI rico en inorgánicos por autolimpieza repetida y descomposición del electrolito en el electrolito LiFEA. d, capa SEI rica en inorgánicos inducida por electrolito que contiene LiFEA y morfología uniforme del precipitado de litio. Préstamo: La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01282-z
Las baterías de metal de litio (Li), es decir, baterías que contienen un ánodo metálico a base de litio, se utilizan actualmente para alimentar una amplia gama de dispositivos electrónicos. La mayoría de estas baterías contienen electrolitos a base de carbonato que no pueden pasivar la corrosión del ánodo de litio, lo que provoca un crecimiento significativo de las dendritas y limita el ciclo de vida de la celda.
Investigadores de la Universidad de Tsinghua y otros institutos en China desarrollaron recientemente litio 1,1,1-trifluoro-N-[2-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy)]etil]metanosulfonamida (LiFEA), una nueva sal de litio asimétrica con una geometría molecular similar a la del éter que puede mejorar el rendimiento de las baterías de metal de litio. Esta sal, presentada en un artículo publicado en La energía de la naturalezaactiva un mecanismo de autolimpieza que limpia la interfase de electrolito sólido (SEI), una capa protectora que se forma en la superficie de los ánodos de litio a medida que se descompone el electrolito.
“Las baterías de metal de litio se han considerado la próxima generación de baterías debido a su alta densidad de energía”, dijo Tech Xplore Kai Liu, uno de los investigadores que dirigió el estudio. “Sin embargo, la interfase rica en materia orgánica del electrolito sólido que se forma en el electrodo de metal de litio en los electrolitos de carbonato convencionales no puede pasivar la superficie del electrodo de la corrosión del litio y, por lo tanto, la vida útil, la potencia y la seguridad de la batería están severamente limitadas. una nueva molécula de sal de litio con una nueva capacidad de autolimpieza para eliminar los componentes orgánicos de la interfase, lo que conduce a electrolitos de carbonato de alta potencia y larga duración.
LiFEA, una nueva sal de litio creada por Liu y sus colaboradores, tiene una geometría molecular distintiva pseudo-corona, similar a un éter y plegada. Esta geometría única favorece la creación de un SEI rico en materiales inorgánicos que es altamente compatible con los ánodos de metal de litio.
La sal se sintetizó reemplazando un componente específico de las sales de litio de uso común con una cadena basada en etilenglicol. En las pruebas iniciales, los investigadores encontraron que agregar sus sales a los electrolitos facilitó la disolución de los SEI formados inicialmente, acelerándolos por un factor de tres.
Las mediciones espectroscópicas mostraron que la sal podría ralentizar la corrosión del ánodo y el crecimiento de las dendritas, lo que llevó al SEI a “limpiar”. El equipo descubrió que esto podría mejorar significativamente el rendimiento de las baterías de metal de litio, mejorando tanto su densidad de potencia como su estabilidad cíclica.
“La nueva sal de litio que diseñamos puede autoplegarse para formar estructuras secundarias únicas, lo que proporciona un nuevo mecanismo de autolimpieza para las interfaces de la batería y mejora significativamente el rendimiento de la batería”, dijo Liu.
Hasta ahora, los científicos han puesto su nueva sal de litio en celdas de batería y han descubierto que funcionan excepcionalmente bien. En particular, las celdas de bolsa con una capacidad de 310 Wh kg−1 alcanzó una densidad de potencia de ~ 410 W kg−1 a una densidad de corriente de descarga de 6,59 mA cm-−2.
Además, después de 100 ciclos en condiciones de ciclo rápido (carga: 1,46 mA cm−2descarga: 3,66 mA·cm−2), estas celdas conservaron el 81% de su capacidad. En el futuro, este trabajo reciente podría contribuir a la producción de baterías de metal de litio de ciclo rápido y alta energía para una amplia gama de aplicaciones, incluidos los vehículos eléctricos (EV).
“Creemos que nuestro trabajo aumentará la densidad de energía y la densidad de potencia de las baterías”, agregó Liu. “En otras palabras, en el futuro, un vehículo eléctrico podrá cargar más rápido, acelerar más rápido y recorrer distancias más largas. Ahora nos centraremos en mejorar la estructura molecular y mejorar aún más su rendimiento en celdas industriales de gran formato”.
Más información:
Yingchun Xia et al., Diseño de una sal de litio similar al éter asimétrica para habilitar baterías de metal de litio de alta energía de ciclo rápido, La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01282-z
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