Novela preparación de next

23 de diciembre de 2022

por Prensa de la Universidad de Tsinghua

El rendimiento de las baterías de iones de litio será esencial para que la transición limpia sea más económica y sencilla, lo que a su vez requiere una nueva generación de materiales para los ánodos de esas baterías. Una de las opciones de mejor rendimiento, un compuesto de carbono, monóxido de silicio, sufre una serie de reacciones químicas no deseadas. Una nueva técnica de preparación de este material anódico parece haber resuelto finalmente el problema.

La búsqueda de la próxima generación de materiales para ánodos en baterías de iones de litio ha sufrido durante mucho tiempo una serie de reacciones químicas parásitas para muchos de los reemplazos propuestos para el grafito que se usa convencionalmente. Una nueva técnica de preparación para un material compuesto de silicio-monóxido-carbono parece lista para finalmente ofrecer las ganancias de eficiencia deseadas sin ninguna de las reacciones secundarias no deseadas.

Un artículo que describe el proceso apareció en la revista Nano Research.

Desde finales de la década de 1990, la mayoría de los fabricantes de baterías de iones de litio han utilizado grafito como ánodo de la batería (el terminal negativo por el que entra la corriente eléctrica en la batería), en sustitución del carbón coquizable. El cambio de coque a grafito, una forma de carbono, se hizo debido a su estabilidad a largo plazo durante muchos ciclos de recarga y descarga.

Pero para mejorar aún más el rendimiento de las baterías de iones de litio (y, al hacerlo, hacer que la transición de los combustibles fósiles sea más económica y factible), los fabricantes de baterías necesitarán ánodos aún mejores.

Uno de los materiales de reemplazo del ánodo ampliamente promocionados para el grafito son los compuestos a base de silicio debido a su alta capacidad específica (tasa de descarga) y abundancia en la corteza terrestre. El monóxido de silicio, en particular, se ha mostrado muy prometedor para la próxima generación de baterías de iones de litio de alta potencia.

A pesar de esta promesa, el monóxido de silicio por sí solo también presenta una serie de inconvenientes, entre ellos su baja conductividad inherente y el cambio masivo de tamaño (volumen) en el transcurso de los ciclos de recarga y descarga. Estas variaciones de volumen de hasta el 300 por ciento dan como resultado la destrucción y el desprendimiento de los materiales del ánodo, lo que reduce radicalmente el rendimiento.

"Sin embargo, si el monóxido de silicio se combina en un material compuesto con carbono, una especie de mezcla entre el material de ánodo de grafito existente y el ánodo basado en silicio de próxima generación, podríamos tener un ganador", dijo Zhengwen Fu, un coautor del estudio y electroquímico del Laboratorio Clave de Catálisis Molecular y Materiales Innovadores de Shanghai en la Universidad de Fudan. "El compuesto ofrece lo mejor de ambos mundos. Pero incluso aquí, hay muchos obstáculos que superar".

El carbono ofrece el beneficio de una alta conductividad eléctrica y su estabilidad estructural antes mencionada, y también experimenta una expansión de volumen mucho menor durante el ciclo. Su flexibilidad y capacidad lubricante también funcionan para inhibir la expansión de volumen del silicio. En general, el ánodo compuesto ofrece una buena capacidad y un alto rendimiento cíclico.

Desafortunadamente, la solución de un conjunto de problemas solo ha producido otro: los ánodos compuestos de silicio-monóxido-carbono sufren de una eficiencia coulombiana relativamente baja. La eficiencia de Coulombic, a veces llamada eficiencia actual, se refiere a la relación de la carga eléctrica total puesta en una batería en comparación con la carga total extraída de ella. (Coulombio es el término que se usa para describir una unidad de carga eléctrica) Siempre se sacará menos de lo que se pondrá, pero el objetivo es limitar tales pérdidas inevitables al mínimo.

La eficiencia de Coulombic es de particular importancia para mejorar el rendimiento y reducir el costo de la colosal cantidad de baterías que necesitaremos para electrificar los vehículos y para los sistemas de almacenamiento de energía para respaldar fuentes variables de energía renovable como la eólica y la solar.

Durante el primer ciclo de la batería de iones de litio que usa un ánodo compuesto de carbono, monóxido de silicio, parte del litio reacciona irreversiblemente con el compuesto, produciendo "productos de degradación" que forman una capa entre la superficie del ánodo y el electrolito llamado sólido. interfase electrolítica, o SEI. Este proceso parásito de 'litiación' a su vez da como resultado la pérdida de litio activo así como de eficiencia culómbica.

Para superar estos desafíos, los investigadores desarrollaron una técnica novedosa de 'litiación previa', en la que almacenan litio adicional en la batería por adelantado para compensar el litio consumido por las reacciones parásitas durante el ciclo de la batería. Otros investigadores habían desarrollado sus propias técnicas previas a la litiación, que generalmente involucran litio metálico puro, un litio metálico modificado o un compuesto que contiene litio.

Todos estos enfoques tienen sus propias limitaciones. Por ejemplo, los compuestos que contienen litio tienden a liberar un gas después de la litiación durante el ciclo, lo que reduce el rendimiento del ánodo y la densidad de energía de la batería en su conjunto.

La nueva técnica de prelitiación, que los investigadores denominan 'corrosión del litio en estado sólido', elimina esos problemas reemplazando el electrolito líquido (el medio a base de litio que permite el transporte de iones entre el ánodo y su contraparte positiva, el cátodo, de una batería) con un electrolito sólido compuesto de oxinitruro de fósforo y litio con carbono incorporado, o LiCPON. De esta manera, no solo se evitan las diversas reacciones secundarias no deseadas asociadas con el litio metálico, sino que se produce una mejor interfaz entre el ánodo y el electrolito.

Los investigadores pudieron investigar si su proceso de prelitiación de corrosión en estado sólido estaba funcionando según lo previsto a través de imágenes ópticas, microscopía electrónica y difracción de rayos X, tres métodos diferentes para ver las reacciones electroquímicas en tiempo real. La técnica dio un impulso al ánodo de casi un 83 por ciento sobre un electrodo de prelitiación usando un electrolito líquido.

Después de haber probado su concepto en 'pilas de moneda', baterías a pequeña escala destinadas a la investigación y el desarrollo de baterías de laboratorio, los investigadores ahora quieren demostrar el proceso con baterías de grado industrial.

Más información: Yan Qiao et al, Corrosión de litio en estado sólido para prelitiación de ánodo compuesto de SiOx-C con oxinitruro de fósforo y litio incorporado en carbono, Nano Research (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-5290-6