Un equipo de ingenieros ha logrado un progreso significativo en el desarrollo de baterías de metal de litio de carga rápida, según un artículo reciente publicado en Nature Energy. Estas baterías son capaces de recargarse en tan solo una hora, gracias al crecimiento de cristales metálicos de litio uniformes que pueden sembrarse rápidamente en una superficie sorprendente. Esta tecnología innovadora es muy prometedora para el futuro del almacenamiento de energía.
en un nuevo energia natural En papel, los ingenieros informan sobre el progreso hacia las baterías de metal de litio que se cargan rápidamente, tan rápido como en una hora. Esta carga rápida se debe a los cristales de litio metálico que se pueden sembrar y hacer crecer, de manera rápida y uniforme, en una superficie sorprendente. El truco es usar una superficie de crecimiento de cristales que oficialmente no le guste al litio. A partir de estos cristales semilla crecen densas capas de litio metálico uniforme. Las capas uniformes de litio metálico son de gran interés para los investigadores de baterías porque carecen de picos que degradan el rendimiento de la batería llamados dendritas. La formación de estas dendritas en los ánodos de las baterías ha sido un obstáculo de larga data para las baterías de metal de litio ultrapotentes y de carga rápida.
Este nuevo enfoque, dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego, puede cargar baterías de metal de litio en aproximadamente una hora, una velocidad que es competitiva con las baterías de iones de litio actuales. Los ingenieros de UC San Diego, en colaboración con los investigadores de imágenes de UC Irvine, publicaron este avance para desarrollar baterías de metal de litio de carga rápida hoy (9 de febrero de 2023) en la revista energia natural.
En esta imagen SEM, cristales grandes y uniformes de litio metálico crecen en una superficie que es sorprendente porque no le “gusta” el litio. Los investigadores de baterías de la UC San Diego han descubierto que los cristales de litio metálico pueden iniciarse (nuclearse) y crecer, rápida y uniformemente, en capas densas de litio metálico sin dendritas que degraden el rendimiento. En un artículo de Nature Energy publicado el 9 de febrero de 2023, los investigadores de baterías de UC San Diego demostraron que esta formación sorpresa de semillas de cristal de litio conduce a capas densas de litio incluso a altas tasas de carga, lo que da como resultado baterías de metal de litio de larga duración. que también se puede cargar rápidamente. Este descubrimiento supera un fenómeno común en las baterías de metal de litio recargables en las que la carga de alta velocidad siempre conduce a litio poroso y una vida útil corta. Al reemplazar las superficies de cobre omnipresentes en el lado negativo (el ánodo) de las baterías de metal de litio con esta superficie litiófoba compuesta de fluoruro de litio y hierro, los investigadores han abierto una nueva forma de crear metal de litio más confiable, más seguro y más eficiente. pilas Crédito: Zhaohui Wu y Zeyu Hui / UC San Diego
Para hacer crecer los cristales de metal de litio, los investigadores reemplazaron las superficies de cobre omnipresentes en el lado negativo (el ánodo) de las baterías de metal de litio con una superficie nanocompuesta litiófoba compuesta de fluoruro de litio (LiF) y hierro (Fe). Mediante el uso de esta superficie litiófoba para la deposición de litio, se formaron semillas de cristal de litio y de estas semillas crecieron densas capas de litio, incluso a altas tasas de carga. El resultado fueron baterías de metal de litio de larga duración que se pueden cargar rápidamente.
“La superficie nanocompuesta especial es el descubrimiento”, dijo Ping Liu, profesor de nanoingeniería en UC San Diego, autor principal del nuevo artículo. “Desafiamos la noción tradicional del tipo de superficie necesaria para hacer crecer los cristales de litio. La sabiduría predominante es que el litio crece mejor en superficies que le gustan, superficies litiófilas. En este trabajo, mostramos que esto no siempre es cierto. Al sustrato que utilizamos no le gusta el litio. Sin embargo, proporciona abundantes sitios de nucleación, así como un rápido movimiento de litio en la superficie. Estos dos factores conducen al crecimiento de estos hermosos cristales. Este es un buen ejemplo de la visión científica que resuelve un problema técnico.
Imagen crio-TEM de un monocristal de litio metálico que se ha sembrado en una sorprendente superficie nanocompuesta litiófoba compuesta de fluoruro de litio y hierro. El cristal de litio tiene una forma bipiramidal hexagonal. En un artículo de Nature Energy publicado el 9 de febrero de 2023, investigadores de UC San Diego y UC Irvine demostraron que esta formación sorpresa de semillas de cristal de litio conduce a capas densas de litio incluso a altas tasas de carga, lo que da como resultado una larga vida útil de litio-metal. baterías que también se pueden cargar rápidamente. Este descubrimiento supera un fenómeno común en las baterías de metal de litio recargables en las que la carga de alta velocidad siempre conduce a litio poroso y una vida útil corta. Al reemplazar las superficies de cobre omnipresentes en el lado negativo (el ánodo) de las baterías de metal de litio con esta superficie litiófoba compuesta de fluoruro de litio y hierro, los investigadores han abierto una nueva forma de crear baterías de metal de litio más confiables, más seguras y más eficientes. . Crédito: Chunyang Wang y Huolin Xin / UC Irvine
El nuevo avance liderado por nanoingenieros de UC San Diego podría eliminar una barrera importante que frena el uso generalizado de baterías de metal de litio de alta densidad de energía para aplicaciones como vehículos eléctricos (EV) y dispositivos electrónicos portátiles. Si bien las baterías de metal de litio tienen un gran potencial para vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles debido a su alta densidad de carga, las baterías de metal de litio actuales deben cargarse muy lentamente para mantener el rendimiento de la batería y evitar problemas de seguridad. La carga lenta es necesaria para minimizar la formación de dendritas de litio que destruyen el rendimiento y que se forman cuando los iones de litio se unen a los electrones para formar cristales de litio en el lado del ánodo de la batería. Los cristales de litio se acumulan cuando la batería se carga y los cristales de litio se disuelven cuando la batería se descarga.
Referencia: “Cultivo de semillas monocristalinas en sustratos litofóbicos para habilitar baterías de metal de litio de carga rápida” por Zhaohui Wu, Chunyang Wang, Zeyu Hui, Haodong Liu, Shen Wang, Sicen Yu, Xing Xing, John Holoubek, Qiushi Miao, Huolin L. Xin y Ping Liu, 9 de febrero de 2023, energia natural.
DOI: 10.1038/s41560-023-01202-1
Ping Liu es director del Centro de Energía y Energía Sostenible (SPEC) en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, donde también es profesor en el Departamento de Nanoingeniería.
Financiamiento: Consorcio Battery500 del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) DE-EE0007764.
