¿Es posible alargar la vida de las baterías de litio?

Los ingenieros de la Universidad de Rice han desarrollado un método escalable para mejorar la litiación previa al recubrir los ánodos de silicio con partículas de metal de litio estabilizadas para prolongar la vida útil de la batería.

El desarrollo de baterías de ánodo de silicio promete grandes oportunidades para revolucionar las capacidades de almacenamiento de energía, un elemento crucial para cumplir los objetivos climáticos y aprovechar todo el potencial de los vehículos eléctricos. No obstante, la degradación de los iones de litio en los ánodos de silicio es un proceso irreversible que está obstaculizando el desarrollo futuro de las baterías de iones de litio de próxima generación.

Los científicos de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de la Universidad de Rice han desarrollado un método que se puede escalar fácilmente para mejorar la litiación previa. Este proceso consiste en recubrir los ánodos de silicio con partículas de metal de litio estabilizado (SLMP) para reducir la pérdida de litio y prolongar la vida útil de la batería. El equipo descubrió que rociar los ánodos con una mezcla de partículas y surfactantes aumentaba la vida útil de la batería entre un 22 % y un 44 %. Los niveles más altos de recubrimiento aumentaron la estabilidad y la vida útil, pero también introdujeron más inclusiones de litio, lo que provocó un desvanecimiento más rápido en los ciclos de capacidad total posteriores.

Reemplazar el grafito con silicio en las baterías de iones de litio aumenta la densidad de energía debido a la capacidad del silicio para combinarse con hasta cuatro iones de litio, a diferencia del grafito, que requiere seis átomos de carbono para un ión de litio. La reacción del electrolito con iones de litio crea una capa de sal de tamaño nanométrico en el ánodo, la llamada interfase de electrolito sólido (SEI). El SEI aísla los electrolitos del ánodo y bloquea la reacción. Sin embargo, el SEI puede romperse durante el ciclo y su reforma reduce aún más la reserva de litio de la batería. El volumen cambiante del ánodo de silicio durante el ciclo de la batería puede provocar inestabilidad en el SEI, dijo Quan Nguyen, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular. Se desea un SEI estable a lo largo de los ciclos de carga y descarga de la batería.

Los investigadores afirmaron que la litiación previa compensa la pérdida habitual de litio del silicio. Es similar a imprimar una superficie antes de pintar para ayudar a que la pintura se adhiera mejor. La litiación previa prepara los ánodos y, por lo tanto, garantiza ciclos de batería largos y estables. Los investigadores introdujeron un nuevo elemento que utiliza un tensioactivo para dispersar las partículas de manera uniforme, una técnica no descrita anteriormente. Esto evita la formación de grumos y asegura una distribución uniforme dentro de la batería. Sin un tensioactivo, mezclar las partículas con solvente no dará un recubrimiento uniforme. El recubrimiento por aspersión proporciona una distribución más uniforme que otros métodos y es adecuado para la producción a gran escala. Si no se supera la capacidad de ciclado, más partículas activarán el mecanismo de captura de litio. Sin embargo, el ciclo con recubrimiento uniforme evita la captura de litio.

Los investigadores creen que encontrar métodos para prevenir la captura de litio mediante la optimización de las estrategias de ciclo y los valores de SLMP podría permitir un mejor uso de la mayor densidad de energía de los ánodos basados ​​en silicio.

Referencia: Quan Anh Nguyen et al., Efectos de la litiación previa en la mejora de los ánodos basados ​​en silicio para baterías de iones de litio de celda completa utilizando partículas de metal de litio estabilizadas, Materiales de energía aplicada ACS (2023). DOI: 10.1021/acsaem.3c00713