Resumen:
Investigadores chinos han desarrollado una fina capa protectora para ánodos de metal de litio, que se espera resuelva los problemas técnicos clave que enfrentan las baterías de estado sólido durante mucho tiempo. En pruebas de laboratorio, las baterías tratadas con este recubrimiento mantuvieron el 82,3% de su capacidad inicial después de 300 ciclos de carga-descarga; en comparación, una batería de control que utilizaba litio metálico sin tratar mantuvo una tasa de retención de capacidad de sólo el 43,0 %.
Esta investigación fue completada por el equipo de investigación científica de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an, y los resultados se publicaron en "Science China Chemistry". Los investigadores utilizan un tratamiento químico líquido simple para formar una capa protectora en la superficie del metal de litio, lo que proporciona nuevas ideas para mejorar la estabilidad y la vida útil de las baterías de próxima generación.
El litio metálico se considera un importante material candidato para baterías de alta densidad de energía, e incluso se le llama el "Santo Grial" en el campo del almacenamiento de energía. En teoría, el litio metálico puede almacenar casi diez veces la cantidad de electricidad por gramo del electrodo negativo de grafito utilizado en las baterías tradicionales de iones de litio. Si esta ventaja se puede aprovechar al máximo, se espera que las baterías futuras almacenen más energía con el mismo peso, reduciendo así el peso del paquete de baterías y aportando una mayor autonomía a los vehículos eléctricos.
Sin embargo, el litio metálico es propenso a depositarse de manera desigual durante el proceso de carga y descarga, formando estructuras afiladas llamadas dendritas de litio. Estas dendritas pueden seguir creciendo y eventualmente perforar la estructura interna de la batería, provocando cortocircuitos y riesgos de seguridad. Al mismo tiempo, también existen problemas de estabilidad química entre el litio metálico y el electrolito sólido de sulfuro, y las reacciones interfaciales afectarán el rendimiento y la vida útil de la batería. Estos problemas siempre han sido obstáculos importantes para la aplicación práctica de baterías de estado sólido de metal litio.
Para resolver este problema, un equipo en el que participaron investigadores como Li Siwu, Wu Weiwei y Yu Chuang combinó un polímero a base de silicio con cloruro de indio para crear un precursor líquido que se puede recubrir directamente sobre la superficie del litio metálico. Después de que el material de recubrimiento reaccione con el litio, se formará in situ en la superficie una película protectora compuesta con un espesor de solo aproximadamente 12 micrones, que contiene componentes como fluoruro de litio y nanopartículas de aleación de litio e indio.
Esta película protectora no simplemente aísla el litio metálico del mundo exterior, sino que mejora el proceso de deposición de iones de litio dentro de la batería mediante la sinergia de diferentes materiales. El esqueleto del polímero tiene un cierto grado de flexibilidad y puede adaptarse a la tensión mecánica causada por la expansión y contracción repetidas del litio metálico durante la carga y descarga; el fluoruro de litio puede bloquear electrones e inhibir la nucleación y el crecimiento de dendritas de litio; Las nanopartículas de aleación de litio e indio ayudan a guiar la deposición uniforme de iones de litio y evitan la acumulación concentrada de litio para formar estructuras afiladas peligrosas.
Los resultados experimentales muestran que la densidad de corriente crítica del electrodo de metal de litio recubierto alcanza los 3,5 miliamperios por centímetro cuadrado, que es más de cuatro veces la del electrodo sin tratar, que es de 0,8 miliamperios por centímetro cuadrado. La densidad de corriente crítica es un indicador importante de la capacidad de la batería para resistir la deposición desigual de litio y el crecimiento de dendritas. Un aumento en el valor significa que se espera que la batería mantenga un funcionamiento estable a densidades de corriente más altas.
Luego, los investigadores aplicaron este electrodo protector a una batería completa. La batería de prueba utiliza un electrodo positivo de óxido de níquel, cobalto y manganeso y un electrolito sólido de sulfuro, y la capacidad inicial alcanza los 129,8 mAh por gramo a una velocidad de 0,5 °C. Después de 300 ciclos de carga y descarga, la batería aún conservaba el 82,3% de su capacidad inicial. Por el contrario, cuando se utilizan electrodos de metal de litio sin protección, la tasa de retención de capacidad es solo del 43,0% y la brecha entre los dos es muy obvia.
El análisis espectral y la observación con microscopio electrónico confirmaron aún más la composición y estructura de la capa protectora. Los investigadores descubrieron que el recubrimiento formaba una película relativamente densa y uniforme, y no se observaron grietas o huecos obvios, lo que también proporcionó evidencia a nivel estructural de que puede proteger continuamente la interfaz entre el litio metálico y el electrolito sólido.
Otra característica destacable de esta tecnología es su potencial adaptabilidad industrial. A diferencia de algunas tecnologías de modificación de la superficie de los electrodos que requieren complejos procesos de tratamiento al vacío, esta película protectora se forma recubriendo directamente con un precursor líquido y reaccionando sobre la superficie del metal litio. En teoría, existe la posibilidad de utilizar equipos de recubrimiento industrial existentes para la producción, reduciendo así la complejidad y el coste del proceso de fabricación.
El equipo de investigación también planea explorar la sustitución del indio por estaño, zinc y otros elementos para optimizar aún más la fórmula del material. El indio es un metal relativamente escaso y costoso. Si se pueden encontrar materiales alternativos con un rendimiento similar y un costo menor, se ayudará a mejorar la economía de la aplicación a gran escala de esta tecnología en el futuro.
Sin embargo, este logro aún se encuentra en la etapa de investigación de laboratorio. La mejora en el rendimiento del ciclo obtenida en el experimento no significa que las baterías relevantes estén listas para su comercialización. En el futuro, es necesario verificar aún más su rendimiento en períodos de ciclo más largos, mayores capacidades de batería, diferentes entornos de temperatura y condiciones de producción reales, al mismo tiempo que se resuelven problemas como el costo del material, la consistencia de la fabricación y la estabilidad de la interfaz a largo plazo.
Los investigadores creen que esta capa protectora compuesta formada in situ proporciona una ruta técnica relativamente simple para estabilizar los ánodos de metal de litio. Si la investigación posterior puede demostrar su confiabilidad en baterías reales y lograr una fabricación a gran escala y de bajo costo, puede acercar las baterías de estado sólido de alta densidad de energía a los vehículos eléctricos y al almacenamiento de energía a gran escala.
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