Las baterías de metal de litio (LMB), un tipo emergente de baterías recargables de litio hechas de metal de estado sólido en lugar de iones de litio, se encuentran entre las tecnologías de baterías recargables de alta densidad de energía más prometedoras. Aunque tienen algunas características ventajosas, estas baterías tienen varias limitaciones, incluida una baja densidad de energía y problemas relacionados con la seguridad.
En los últimos años, los investigadores han intentado superar estas limitaciones mediante la introducción de un diseño alternativo de celda de batería de litio sin ánodo. Este diseño sin ánodo podría ayudar a aumentar la densidad de energía y la seguridad de las baterías de metal de litio.
Investigadores del Instituto Nacional de Ciencias Industriales Avanzadas y Tecnología Recientemente llevó a cabo un estudio destinado a aumentar la densidad de energía de las baterías de litio sin ánodos, presenta una nueva batería de litio sin ánodos de alta densidad de energía y larga duración basada en el uso de un Li2Oh agente sacrificial.
Las arquitecturas de batería de celda completa sin ánodo se basan típicamente en un cátodo completamente litiado con un colector de corriente de cobre de ánodo desnudo. Sorprendentemente, las densidades de energía gravimétrica y volumétrica de las baterías de litio sin ánodo pueden extenderse hasta su límite máximo. Las arquitecturas de celdas libres de ánodo tienen varias otras ventajas sobre los diseños LMB más convencionales, incluido un menor costo, mayor seguridad y procedimientos de ensamblaje de celdas más simples.
Para desbloquear todo el potencial de los LMB sin ánodo, los investigadores primero deben descubrir cómo lograr la reversibilidad / estabilidad del revestimiento de metal de litio. Si bien muchos han intentado resolver este problema mediante la ingeniería y la selección de electrolitos más favorables, la mayoría de estos esfuerzos hasta ahora no han tenido éxito.
Otros también han explorado el potencial del uso de sales o aditivos que podrían mejorar la reversibilidad del revestimiento / decapado de metal de litio. Después de revisar estos intentos anteriores, los investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada propusieron el uso de Li2O como agente de sacrificio, que está precargado en un LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 superficie.
"Es un desafío lograr una alta reversibilidad de Li, especialmente considerando el depósito de Li limitado (normalmente cero exceso de litio) en la configuración de la celda", escribieron los investigadores en su artículo. “En este estudio hemos presentado a Li2O como agente de sacrificio precargado en un LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cátodo, proporcionando una fuente adicional de Li para compensar la pérdida irreversible de Li durante el ciclo a largo plazo en una celda inicial libre de ánodo ".
Además de emplear Li2O como agente de sacrificio, los investigadores propusieron el uso de un aditivo de éter fluoropropílico para neutralizar el O nucleófilo.2-, que se libera durante la oxidación de Li2O, y prevenir la evolución adicional de O gaseoso2 resultante de la fabricación de un electrolito a base de LiF recubierto en la superficie del cátodo de la batería.
"Demostramos que O2- especies, liberadas a través de Li2O oxidación, son neutralizados sinérgicamente por un aditivo de éter fluorado ”, explicaron los investigadores en su artículo. "Esto conduce a la construcción de una capa a base de LiF en la interfaz cátodo / electrolito, que pasiva la superficie del cátodo y restringe la descomposición oxidativa perjudicial de los solventes de éter".
Basándose en el diseño que idearon, Yu Qiao y el resto del equipo del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas pudieron realizar una celda de bolsa sin ánodo inicial de 2.46 Ah de larga duración. Esta celda exhibió una densidad de energía gravimétrica de 320 Wh kg-1, manteniendo una capacidad del 80% después de 300 ciclos de operación.
En el futuro, el litio sin ánodo agresión con lesiones presentado por este grupo de investigación podría ayudar a superar algunas de las limitaciones comúnmente reportadas de los LMB. Además, su diseño podría inspirar la creación de baterías recargables de litio más seguras con densidades de energía más altas y una vida útil más prolongada.
