El nuevo electrolito conductor superiónico podría mejorar la estabilidad de las baterías de metal de litio de estado sólido

Las baterías de metal de litio (LMB) de estado sólido son soluciones prometedoras de almacenamiento de energía que incorporan un ánodo de metal de litio y electrolitos de estado sólido (SSE), a diferencia de los líquidos que se encuentran en las baterías de litio convencionales. Si bien las LMB de estado sólido podrían exhibir densidades de energía significativamente mayores en comparación con las baterías de iones de litio (LiB), los electrolitos sólidos que contienen son propensos al crecimiento de dendritas, lo que reduce su estabilidad y seguridad.

Investigadores de la Western University en Canadá, la Universidad de Maryland en los Estados Unidos y otros institutos diseñaron recientemente un nuevo β-Li conductor superiónico y rico en vacantes.₃N electrolito de estado sólido (SSE). El electrolito, reportado recientemente en un artículo publicado en Nanotecnología de la naturalezapodría mantener un ciclo estable de LMB totalmente de estado sólido, lo que podría facilitar su comercialización.

«El objetivo principal de nuestro trabajo fue desarrollar SSE de conducción superiónica y estables con litio para LMB totalmente de estado sólido, particularmente apuntando a su aplicación en vehículos eléctricos (EV)», dijo a Phys.org Weihan Li, primer autor del artículo. .

«El mercado de vehículos eléctricos está experimentando un rápido crecimiento, pero una limitación clave sigue siendo la corta autonomía de conducción de 300 a 400 millas por carga, principalmente debido a la densidad de energía limitada (~300 Wh/kg) de las baterías de iones de litio convencionales. Las baterías de metal de litio de estado sólido representan una solución prometedora a este desafío al ofrecer el potencial de alcanzar densidades de energía de hasta 500 Wh/kg, extendiendo así el alcance de conducción a más de 600 millas por carga».

Hasta ahora, un desafío clave en el desarrollo de LMB totalmente de estado sólido ha sido la falta de SSE seguras, confiables y de alto rendimiento. El objetivo clave del reciente trabajo de Li y sus colegas fue diseñar un nuevo electrolito que combine una alta estabilidad frente al litio metálico con una alta conductividad iónica.

«Basándonos en nuestro conocimiento previo de los SSE, identificamos los nitruros como una clase de materiales que son estables frente al litio metálico», dijo Li. «Sin embargo, los nitruros convencionales exhiben una baja conductividad iónica. Aprovechando nuestro conocimiento de los mecanismos de conducción del litio, diseñamos un β-Li rico en vacantes.₃N SSE.»

En las pruebas iniciales, el nuevo β-Li rico en vacantes₃N SSE diseñado por este equipo de investigadores demostró una mejora 100 veces mayor en la conductividad iónica y una mayor estabilidad en comparación con el Li comercial.₃N. Por lo tanto, este material prometedor podría ayudar a superar las limitaciones típicamente asociadas con el desarrollo de LMB de estado sólido de alto rendimiento.

«Nuestro diseño del β-Li rico en vacantes₃N se guió por la comprensión de los mecanismos de conducción de los iones de litio», dijo Li. «Los defectos en la estructura cristalina, como las vacantes, pueden reducir las barreras energéticas para la migración de los iones de litio y aumentar la población de iones de litio móviles».

Los investigadores sintetizaron el β-Li rico en vacantes.₃N SSE mediante un proceso de molienda de bolas de alta energía. Este proceso se utilizó para introducir un número controlado de espacios vacantes en la estructura del material, lo que finalmente mejoró sus propiedades.

«La conductividad iónica del β-Li rico en vacantes₃N es 100 veces mayor que el del Li comercial.₃N», explicó Li. «Demuestra una excelente estabilidad química frente al litio metálico, lo que permite la fabricación de LMB en estado sólido de ciclo largo. El material también muestra una alta estabilidad en aire seco, lo que lo hace adecuado para la producción a escala industrial en ambientes secos».

Cuando integraron su SSE recién diseñado en un LMB, los investigadores lograron una conductividad iónica sin precedentes para un SSE, alcanzando 2,14 × 10⁻³ cm⁻¹ a 25°C. Las celdas de batería simétricas basadas en electrolito lograron altas densidades de corriente críticas de hasta 45 mA cm⁻²y altas capacidades hasta 7,5 mAh cm⁻²así como procesos de decapado y revestimiento de litio ultraestables de más de 2000 ciclos.

«Nuestro estudio logró una conductividad iónica sin precedentes y una estabilidad excepcional con litio metálico para un SSE», dijo Li. «Estos hallazgos son importantes ya que abordan dos de los desafíos más críticos en el desarrollo de LMB totalmente de estado sólido».

El nuevo material sintetizado por este equipo de investigadores podría abrir nuevas e interesantes posibilidades para la fabricación de LMB totalmente de estado sólido, mejorando potencialmente su densidad de energía y acelerando su carga. Estas baterías podrían eventualmente integrarse en vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos grandes, para extender su vida útil y reducir el tiempo que necesitan para cargarse.

«En el futuro, mi investigación se centrará en dos direcciones principales», añadió Li. «Por un lado, mi objetivo es abordar los desafíos interfaciales restantes en los LMB de estado sólido para mejorar aún más la conducción de iones de litio y extender la vida útil de la batería. Esto implicará investigaciones en profundidad de la cinética de reacción interfacial y diseños de materiales novedosos.

«En el frente de la ingeniería, planeo abordar desafíos prácticos mediante el desarrollo de células prototipo y células de bolsa a escala comercial basadas en β-Li rico en vacantes.₃N. Esto incluirá optimizar el material para la producción a gran escala e integrarlo en sistemas de baterías funcionales adecuados para aplicaciones del mundo real».

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