Diseñan electrolitos de nueva generación para baterías de litio-metal de alta densidad energética

Las baterías de litio-metal son una tecnología prometedora para hacer frente a la emergente demanda de sistemas de almacenamiento de alta densidad energética. Sin embargo, su ciclado tropieza con una baja eficiencia coulómbica (CE) debido a la incesante descomposición del electrolito.

El análisis de regresión de aprendizaje automático y la espectroscopia vibracional revelaron que la formación de pares de iones es esencial para elevar el potencial del electrodo de litio, es decir, para debilitar la capacidad reductora del litio, lo que conduciría a un alto CE con una menor descomposición del electrolito.

La alta reactividad del metal de litio reduce el electrolito en su superficie, lo que provoca la degradación del rendimiento de las baterías de metal de litio. Para superar este problema, los científicos han desarrollado electrolitos funcionales y aditivos electrolíticos para formar una película protectora en la superficie.

Esta interfase de electrolitos sólidos repercute en la seguridad y la eficacia de las baterías de litio, pero aún no era eficaz para evitar ciertas reacciones secundarias graves.

La película protectora de la superficie impide el contacto directo entre el electrolito y el electrodo de metal de litio, lo que retrasa cinéticamente la reducción del electrolito. Sin embargo, hasta ahora, los científicos no han entendido del todo la correlación entre la interfase del electrolito sólido y la eficiencia culombiana.

En el estudio actual, los investigadores estabilizaron el metal de litio y el electrolito diseñando el electrolito para que proporcionara un potencial de oxidación-reducción del metal de litio desplazado hacia arriba, consiguiendo así debilitar la actividad de reacción del metal de litio termodinámicamente, el equipo estudió el potencial de oxidación-reducción del metal de litio en 74 tipos de electrolitos. 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 los electrodos.

Los investigadores demostraron que existe una correlación entre el potencial de oxidación-reducción del metal de litio y la eficiencia culombiana. Obtuvieron una alta eficiencia coulómbica con el potencial de óxido-reducción del metal de litio desplazado hacia arriba.

El objetivo del equipo de investigación es desvelar con más detalle el mecanismo racional que subyace al desplazamiento del potencial de óxido-reducción.

«Diseñaremos el electrolito que garantice una eficiencia culombiana superior al 99,95%». «La eficiencia culombiana del litio metálico es inferior al 99%, incluso con electrolitos avanzados. Sin embargo, se necesita al menos un 99,95% para la comercialización de las baterías de litio metálico», dijo Atsuo Yamada.

«Este es el primer artículo que propone el potencial del electrodo y las características estructurales relacionadas como métricas para el diseño de electrolitos de baterías de litio-metal, que se extraen mediante la introducción de la ciencia de datos combinada con cálculos computacionales. Sobre la base de nuestros hallazgos, se han desarrollado fácilmente varios electrolitos que permiten una alta eficiencia coulómbica», dijo Atsuo Yamada.

Esto podría ayudar a conseguir un mejor rendimiento de las baterías. Esta estrategia rara vez se ha aplicado en el desarrollo de baterías con litio metálico.

«El potencial termodinámico de oxidación-reducción del litio metálico, que varía significativamente en función de los electrolitos, es un factor sencillo pero ignorado que influye en el rendimiento de las baterías de litio metálico», afirma Atsuo Yamada, profesor del Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos de la Universidad de Tokio.