(Noticias de Nanowerk) Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado una nueva batería de metal de litio que se puede cargar y descargar al menos 6,000 veces, más que cualquier otra batería de tipo bolsa, y se puede recargar en un cuestión de minutos. La investigación no sólo describe una nueva forma de fabricar baterías de estado sólido con un ánodo de litio metálico, sino que también ofrece una nueva comprensión de los materiales utilizados para estas baterías potencialmente revolucionarias. La investigación se publica en Nature Materials (“Ciclos rápidos de litio metálico en baterías de estado sólido mediante materiales anódicos susceptibles a la constricción”). "Las baterías de ánodo de metal de litio se consideran el santo grial de las baterías porque tienen diez veces la capacidad de los ánodos de grafito comerciales y podrían aumentar drásticamente la distancia de conducción de los vehículos eléctricos", dijo Xin Li, profesor asociado de ciencia de materiales en SEAS y autor principal de el papel. "Nuestra investigación es un paso importante hacia baterías de estado sólido más prácticas para aplicaciones industriales y comerciales". Uno de los mayores retos en el diseño de estas baterías es la formación de dendritas en la superficie del ánodo. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y perforan la barrera que separa el ánodo y el cátodo, provocando que la batería se cortocircuite o incluso se incendie. Estas dendritas se forman cuando los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo durante la carga, adhiriéndose a la superficie del ánodo en un proceso llamado revestimiento. El revestimiento del ánodo crea una superficie desigual y no homogénea, como la placa en los dientes, y permite que las dendritas echen raíces. Cuando se descarga, es necesario quitar ese recubrimiento similar a una placa del ánodo y cuando el revestimiento es desigual, el proceso de extracción puede ser lento y provocar baches que inducen un revestimiento aún más desigual en la siguiente carga. En 2021, Li y su equipo ofrecieron una forma de lidiar con las dendritas mediante el diseño de una batería multicapa que intercalaba diferentes materiales de diferentes estabilidades entre el ánodo y el cátodo (Naturaleza, "Una estrategia de diseño de estabilidad dinámica para baterías de estado sólido de metal litio"). Este diseño multicapa y multimaterial impidió la penetración de las dendritas de litio no deteniéndolas por completo, sino controlándolas y conteniéndolas. En esta nueva investigación, Li y su equipo detienen la formación de dendritas mediante el uso de partículas de silicio del tamaño de una micra en el ánodo para restringir la reacción de litiación y facilitar el recubrimiento homogéneo de una capa gruesa de metal litio. En este diseño, cuando los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo durante la carga, la reacción de litiación se restringe en la superficie poco profunda y los iones se adhieren a la superficie de la partícula de silicio pero no penetran más. Esto es marcadamente diferente de la química de las baterías de iones de litio líquidos en las que los iones de litio penetran a través de una reacción de litiación profunda y finalmente destruyen las partículas de silicio en el ánodo. Pero, en una batería de estado sólido, los iones en la superficie del silicio se constriñen y se someten al proceso dinámico de litiación para formar un revestimiento de metal de litio alrededor del núcleo del silicio. "En nuestro diseño, el metal de litio se envuelve alrededor de la partícula de silicio, como una cáscara de chocolate duro alrededor del núcleo de una avellana en una trufa de chocolate", dijo Li. Estas partículas recubiertas crean una superficie homogénea sobre la cual la densidad de corriente se distribuye uniformemente, evitando el crecimiento de dendritas. Y, debido a que el enchapado y el decapado pueden ocurrir rápidamente en una superficie plana, la batería se puede recargar en solo unos 10 minutos. Los investigadores construyeron una versión de la batería con celda de bolsa del tamaño de un sello postal, que es de 10 a 20 veces más grande que la celda de botón fabricada en la mayoría de los laboratorios universitarios. La batería retuvo el 80% de su capacidad después de 6,000 ciclos, superando a otras baterías de tipo bolsa en el mercado actual. La tecnología ha sido autorizada a través de la Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard para Adden Energy, una empresa derivada de Harvard cofundada por Li y tres ex alumnos de Harvard. La compañía ha ampliado la tecnología para construir una batería tipo bolsa del tamaño de un teléfono inteligente. Li y su equipo también caracterizaron las propiedades que permiten al silicio restringir la difusión del litio para facilitar el proceso dinámico que favorece el recubrimiento homogéneo del litio espeso. Luego definieron un descriptor de propiedad único para describir dicho proceso y lo calcularon para todos los materiales inorgánicos conocidos. Al hacerlo, el equipo reveló docenas de otros materiales que potencialmente podrían producir un rendimiento similar. "Investigaciones anteriores habían descubierto que otros materiales, incluida la plata, podrían servir como buenos materiales en el ánodo de las baterías de estado sólido", dijo Li. "Nuestra investigación explica un posible mecanismo subyacente del proceso y proporciona una vía para identificar nuevos materiales para el diseño de baterías".

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64362.php