La estructura transformadora de la batería supera los objetivos de carga rápida para el ciclismo de Li

Jun 29, 2023

4 de agosto de 2023

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por la Universidad de Maryland

Las baterías actuales están limitadas por el tiempo de carga requerido y la autonomía alcanzable. El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) desarrolló un objetivo de carga rápida de 10 minutos para cargar la batería de un vehículo eléctrico (EV).

Sin embargo, las baterías de iones de litio con corriente de carga rápida pueden provocar un revestimiento de metal de litio del ánodo de carbono y la posible formación de cortocircuitos catastróficos de dendritas de litio. Los ánodos de Li-metal tienen el potencial de superar estos problemas, ya que en lugar de que el revestimiento de Li-metal sea un problema, en realidad es el ánodo y, además, los ánodos de Li-metal permiten baterías de mayor densidad de energía y, por lo tanto, autonomía para vehículos eléctricos. Sin embargo, hasta la fecha, la velocidad de carga de los ánodos de Li-metal se ha visto limitada por la formación de cortocircuitos de dendritas de litio.

El Dr. Eric Wachsman, director del Instituto de Innovación Energética de Maryland (MEI2) y profesor universitario distinguido de la Universidad de Maryland (UMD), y su equipo de investigación desarrollaron un material de granate monofásico conductor mixto de iones y electrones (MIEC) que cuando se integró en su arquitectura 3D previamente desarrollada, no solo logró el objetivo de carga rápida del DOE para el ciclo de Li, sino que lo superó por un factor de 10.

La estructura porosa del granate MIEC ayuda a aliviar las tensiones sobre los electrolitos sólidos (SE) durante el ciclo al distribuir el potencial uniformemente por toda la superficie, evitando así puntos calientes locales que podrían inducir la formación de dendritas.

Este material y estructura transformadores son un gran avance que tendrá un gran impacto para los vehículos eléctricos y otras aplicaciones. El artículo, "Ciclo extremo de litio-metal habilitado por una arquitectura 3D de granate conductor de electrones de iones mixtos (MIEC)", se publica en Nature Materials.

Las tasas de ciclo de Li (eje X), la cantidad de Li por ciclo (diámetro del círculo) y el ciclo de Li acumulativo (eje Y) exceden con creces los objetivos de carga rápida del DOE para densidad de corriente, capacidad de área por ciclo y capacidad acumulada. a temperatura ambiente sin presión aplicada. Con esta capacidad de ciclo de Li, los vehículos eléctricos podrían realizar ciclos de descarga con una profundidad del 100 % todos los días durante 10 años, mucho más allá de cualquier requisito previsto de vida útil o garantía del vehículo eléctrico.

El Dr. Y. Shirley Meng, científico jefe del Laboratorio Nacional ACCESS Argonne y profesor de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, dijo: "Wachsman y su equipo demostraron una capacidad de velocidad superior del ánodo de metal de litio en este trabajo, es a través de "El diseño innovador en 3D y la arquitectura única que se podría lograr con dicho rendimiento. Este enfoque abre un nuevo paradigma para el diseño de baterías recargables de alta energía de próxima generación".

"En mis 35 años de trabajo con materiales conductores de iones sólidos, esta es la primera vez que veo en la literatura científica la capacidad de hacer circular iones a temperatura ambiente a través de una cerámica sólida con densidades de corriente tan altas como 100 mA/cm2, especialmente iones de un metal sólido." dijo Wachsman. Se espera que la demostración exitosa de este metal de Li libre de dendritas de alta tasa en estructuras MIEC 3D estimule el desarrollo de baterías prácticas de estado sólido de ánodo "sin Li".

"El ánodo de metal de litio reversible de alta velocidad es uno de los desafíos clave en el camino hacia baterías de estado sólido competitivas. La demostración de densidades de corriente tan altas como las reportadas por Eric Wachsman y su equipo puede ser un punto de inflexión", afirmó el Dr. Jürgen Janek, director del Centro de Investigación de Materiales, Universidad Justus Liebig de Giessen.

Más información: George V. Alexander et al, Ciclo extremo de litio-metal permitido por una arquitectura tridimensional de granate conductora mixta de iones y electrones, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01627-9