Conceptual Rendering of the Plating and Stripping Reaction of Lithium Metal Electrode

Electrolitos de próxima generación para baterías de metal de litio de alta densidad de energía


La alta reactividad del metal de litio reduce el electrolito en su superficie, lo que hace que se degrade el rendimiento de la batería de metal de litio. Para superar este problema, los científicos han desarrollado electrolitos funcionales y aditivos de electrolitos para formar una película protectora de la superficie, que tiene un impacto en la seguridad y la eficiencia de las baterías de litio, pero aún no fue eficaz para prevenir ciertas reacciones secundarias graves. En el estudio actual, los investigadores estabilizaron el metal de litio y el electrolito mediante el diseño del electrolito para proporcionar un mayor potencial redox del metal de litio, logrando así debilitar termodinámicamente la actividad de reacción del metal de litio, lo que podría ayudar a obtener un mejor rendimiento de la batería. Crédito: Yamada & Kitada Lab., Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos, Universidad de Tokio

Los resultados tienen el potencial de mejorar significativamente la densidad de energía de las baterías de litio.

Un equipo de investigadores ha descubierto un nuevo mecanismo para estabilizar el electrodo de metal de litio y el electrolito en las baterías de metal de litio. Este nuevo mecanismo no depende del enfoque cinético tradicional. Tiene el potencial de mejorar drásticamente la densidad de energía de la batería: la cantidad de energía almacenada en relación con el peso o el volumen.

El equipo publicó sus hallazgos hoy (27 de octubre) en la revista energia natural.

Las baterías de metal de litio son una tecnología prometedora que tiene el potencial de satisfacer las demandas de los sistemas de almacenamiento de alta densidad de energía. Sin embargo, debido a la implacable descomposición del electrolito en estas baterías, su eficiencia de Coulomb es baja. La eficiencia de Coulomb, también llamada eficiencia de corriente, describe la eficiencia con la que se transfieren los electrones a través de la batería. Por lo tanto, una batería de alta eficiencia de Coulomb tiene una vida más larga.

Correlación entre el potencial de oxidación-reducción del litio metálico y la eficiencia de Coulomb

Se puede obtener una eficiencia de Coulomb mejorada (CE, eje vertical) con un mayor potencial de oxidación-reducción del litio metálico (ELi/Li+, eje horizontal), que reduce la fuerza motriz termodinámica para reducir el electrolito en la superficie del litio metálico. El recuadro representa las curvas redox del compuesto ferroceno (Fc/Fc+), introducidas para estimar la variación del potencial redox del litio metálico en los electrolitos dados. Al comparar el potencial redox del litio metálico en 74 electrolitos diferentes, los investigadores observaron una correlación entre el potencial redox y la eficiencia de Coulomb. Sobre la base de estos hallazgos, se han desarrollado fácilmente varios electrolitos que permiten una alta eficiencia de Coulomb (hasta el 99,4%). Crédito: Yamada & Kitada Lab., Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos, Universidad de Tokio

“Este es el primer artículo que propone el potencial de electrodo y las características estructurales asociadas como métricas para el diseño de electrolitos de baterías de metal de litio, que se extraen mediante la introducción de la ciencia de datos combinada con cálculos informáticos. La base de nuestros hallazgos, varios electrolitos, que permiten valores altos de Coulomb eficiencia, se desarrollaron fácilmente”, dijo Atsuo Yamada, profesor del Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos de la Universidad de Tokio. El trabajo del equipo tiene el potencial de ofrecer nuevas oportunidades en el diseño de electrolitos de próxima generación para baterías de metal de litio.

En las baterías de iones de litio, los iones de litio se mueven del electrodo positivo al electrodo negativo a través del electrolito durante la carga y regresan durante la descarga. Al introducir electrodos de alta densidad de energía, se puede mejorar la densidad de energía de la batería. En este contexto, muchos estudios se han llevado a cabo durante las últimas décadas para cambiar el electrodo negativo de grafito a metal de litio. Sin embargo, el litio metálico tiene una alta reactividad, lo que reduce el electrolito en su superficie. Por lo tanto, el electrodo de litio metálico exhibe una pobre eficiencia de Coulomb.

Mecanismo detrás del cambio en el potencial de oxidación-reducción del litio metálico revelado por la introducción de la ciencia de datos combinada con cálculos informáticos

La importancia relativa de los descriptores para el potencial redox del litio metálico se obtuvo a partir del análisis de regresión de mínimos cuadrados parciales (PLS). La correlación entre los valores reales pronosticados y observados del potencial redox del litio metálico se ajusta bien, lo que se representa mediante una figura insertada, junto con el error cuadrático medio (RMSE). Los cálculos informáticos MD y DFT recopilaron una gran cantidad de datos relacionados con la estructura de la solución y las propiedades fisicoquímicas de los electrolitos, y su efecto sobre el potencial de oxidación-reducción del litio metálico se analizó cuantitativamente con un análisis de regresión basado en el aprendizaje automático. Se encontró que un factor específico, el estado de coordinación de Li+ y el anión FSI-, es el descriptor más importante para determinar el potencial de oxidación-reducción del litio metálico. Crédito: Yamada & Kitada Lab., Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos, Universidad de Tokio

Para superar este problema, los científicos han desarrollado electrolitos funcionales y aditivos de electrolitos que forman una película protectora de la superficie. Esta interfase de electrolito sólido afecta la seguridad y la eficiencia de las baterías de litio. La película protectora de la superficie evita el contacto directo entre el electrolito y el electrodo de metal de litio, lo que ralentiza cinéticamente la reducción del electrolito. Sin embargo, hasta ahora, los científicos no habían entendido completamente la correlación entre la interfase de electrolitos sólidos y la eficiencia de Coulomb.

Los científicos saben que si mejoran la estabilidad de la interfase del electrolito sólido, pueden ralentizar la descomposición del electrolito y aumentar la eficiencia de Coulomb de la batería. Pero incluso con tecnologías avanzadas, los científicos luchan por analizar directamente la química de la interfase del electrolito sólido. La mayoría de los estudios sobre la interfase de electrolitos sólidos se han realizado con metodologías indirectas. Estos estudios proporcionan evidencia indirecta, lo que dificulta el desarrollo del metal de litio estabilizador de electrolitos que conduce a una alta eficiencia de Coulomb.

El equipo de investigación determinó que si podían aumentar el potencial de oxidación-reducción del litio metálico en un sistema electrolítico específico, podrían disminuir la fuerza impulsora termodinámica para reducir el electrolito y, por lo tanto, lograr una eficiencia de Coulomb más alta. Esta estrategia rara vez se había aplicado en el desarrollo de baterías de metal de litio. “El potencial termodinámico de oxidación-reducción del metal de litio, que varía mucho según los electrolitos, es un factor simple pero pasado por alto que influye en el rendimiento de la batería de metal de litio”, dijo Atsuo Yamada.

El equipo estudió el potencial redox del litio metálico en 74 tipos de electrolitos. Los investigadores introdujeron un compuesto llamado ferroceno en todos los electrolitos como estándar interno recomendado por la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) para los potenciales de electrodo. El equipo demostró que existe una correlación entre el potencial de oxidación-reducción del litio metálico y la eficiencia de Coulomb. Obtuvieron el alto rendimiento de Coulomb con el alto potencial de oxidación-reducción del litio metálico.

De cara al trabajo futuro, el objetivo del equipo de investigación es descubrir con más detalle el mecanismo racional detrás del cambio en el potencial redox. “Diseñaremos el electrolito para garantizar una eficiencia de Coulomb superior al 99,95%. La eficiencia de Coulomb del litio metálico es inferior al 99 %, incluso con electrolitos avanzados. Sin embargo, se requiere al menos el 99,95% para la comercialización de baterías de metal de litio”, dijo Atsuo Yamada.

Referencia: “El potencial del electrodo influye en la reversibilidad de los ánodos de metal de litio” por Seongjae Ko, Tomohiro Obukata, Tatau Shimada, Norio Takenaka, Masanobu Nakayama, Atsuo Yamada y Yuki Yamada, 27 de octubre de 2022, energia natural.
DOI: 10.1038/s41560-022-01144-0

Este estudio se llevó a cabo en colaboración con el Instituto de Tecnología de Nagoya.

Financiamiento: Programa de investigación y desarrollo sobre tecnologías avanzadas bajas en carbono; Investigación especialmente promovida para las baterías innovadoras de próxima generación de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón; JSPS KAKENHI Investigación especialmente promovida; y el Programa de Investigación y Desarrollo de Materiales Tipo Creación y Uso de Datos del Ministerio de Educación, Cultura, Deporte, Ciencia y Tecnología financió esta investigación.

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