Investigadores surcoreanos han demostrado una nueva y prometedora arquitectura de batería que podría mejorar la capacidad, la estabilidad y los tiempos de carga. El nuevo diseño controla cuidadosamente el crecimiento problemático de los iones en las baterías de litio y metal, lo que les permite mantener su función durante cientos de ciclos.
Las baterías de iones de litio en uso hoy en día cuentan con un componente de ánodo hecho de grafito. Pero en las baterías de litio, los científicos pudieron usar el propio Li metálico como ánodo en lugar de ese grafito voluminoso y pesado. Debido a que el litio metálico tiene una capacidad teórica diez veces mayor que los ánodos de carbono estándar, ha ganado constantemente mucha atención en áreas que necesitan baterías de alta capacidad, como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía.
Pero las baterías de litio y metal generan energía a través de diferentes reacciones químicas. A medida que la batería se ciclo, los iones de litio pueden crecer en forma de rama de árbol, llamada Li dendrita, si no se almacena de manera uniforme y efectiva. Esto conduce a una gran expansión de volumen del electrodo, lo que acorta la vida útil del ciclo de la batería y causa problemas de seguridad.
Para abordar este problema, un equipo de investigación de KERI (Instituto de Investigación de Electrotecnología de Corea) desarrolló un carbono hueco poroso unidimensionalconfiable con litio con un núcleo hueco para servir como ánodo. El nuevo diseño para las estructuras de la batería incorpora un pequeño número de nanopartículas de oro con afinidad de Li en el núcleo hueco. El oro controla la dirección de crecimiento de Li reaccionando preferentemente con Li, induciendo así la deposición de Li dentro del núcleo. Además, se forman muchos poros de tamaño nano en la parte de la carcasa para mejorar el movimiento de los iones de litio hacia el espacio central.
El host Li de la carcasa de núcleo hueco existente se enfrenta principalmente al problema de la deposición de Li en la carcasa de carbono conductora, no dentro del núcleo, en condiciones de carga de alta velocidad. Por lo tanto, el equipo de KERI introdujo muchos poros de tamaño nano en la carcasa y mejoró la eficiencia coulombica sin el crecimiento de la dendrita de Li incluso bajo una condición de prueba de alta corriente de 5 mA/cm2.
Durante las pruebas de laboratorio, el nuevo diseño mostró que la reducción de la longitud de difusión de iones de Li por los poros de la carcasa y la mejora de la afinidad de Li por las nanopartículas de oro mantuvieron la deposición de Li dentro de la estructura incluso en condiciones de alto cambio de corriente. Además, el anfitrión Li diseñado mostró un excelente rendimiento de ciclo de más de 500 ciclos bajo una alta densidad de corriente de 4C con una retención de capacidad del 82,5%.
«A pesar del mérito de la alta capacidad, las baterías de litio tienen muchos obstáculos que superar para la comercialización, principalmente debido a problemas de estabilidad y seguridad», dijo el Dr. Kim. Y El Dr. Kim también dijo: «Nuestro estudio es invaluable, ya que desarrollamos una técnica para la producción en masa de depósito de litio con alta eficiencia coulombica para baterías de litio de recarga rápida».
El equipo ahora planea continuar con la búsqueda de la comercialización de baterías de litio, pero primero tendrá que desarrollar una solución de electrolitos compatible para garantizar la deposición y disolución estables del Li metálico.