Un nuevo proceso busca prevenir la pérdida irreversible de energía en las baterías
A menudo, cuando una batería dice que está completamente cargada, la capacidad suele ser solo del 70-90% de la densidad de energía teórica que se puede almacenar, debido a la pérdida permanente de iones de litio que puede ocurrir durante la etapa de formación de la producción de la batería.
En un intento por superar esto y prevenir esta pérdida inicial de iones Li, científicos del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología Tecnología (KIST) han desarrollado una solución de pretratamiento de electrodos que es capaz de minimizar esta pérdida inicial de iones Li en ánodos compuestos de grafito-óxido de silicio (SiOx, 0.5 ≤ x ≤ 1.5).
Después de sumergirlo en la solución, el ánodo, que estaba compuesto por un 50% de SiOx, demostró una pérdida de Li insignificante, lo que permitió que una celda completa exhibiera una densidad de energía casi ideal.
La mayoría de las baterías de litio comerciales utilizan un ánodo de grafito, pero el SiOx ha recibido una atención significativa debido a su alta capacidad, que es de 5 a 10 veces mayor que la del grafito. Sin embargo, el SiOx también consume irreversiblemente tres veces más Li activo que el grafito. Como resultado, se ha promovido un electrodo compuesto, que consiste en una mezcla de grafito y SiOx, como una alternativa para los ánodos prácticos de próxima generación.
Si bien hubo un aumento correspondiente en la capacidad de los electrodos compuestos de grafito-SiOx a proporciones más altas de SiOx, también hubo un aumento en la pérdida de Li inicial. Como resultado, la proporción de contenido de SiOx en un electrodo compuesto de grafito-SiOx tuvo que limitarse al 15%, ya que aumentar la proporción al 50% daría como resultado una pérdida inicial de Li del 40%.
Para contrarrestar esto, el equipo de investigación de KIST ha desarrollado un proceso en el que el electrodo se sumerge en una solución única para mitigar el consumo de Li por parte del electrodo de SiOx. Luego, el equipo aplicó este proceso a un material compuesto de grafito-SiOx con un potencial de comercialización significativo.
El equipo descubrió que las soluciones de pretratamiento desarrolladas anteriormente causarían la inserción involuntaria de moléculas de solvente con iones de Li en el grafito, debido a la versátil capacidad de intercalación del grafito. Esta intercalación de grandes moléculas de disolvente resultó en la ruptura estructural del electrodo compuesto de grafito-SiOx. Para evitar la falla del electrodo, los investigadores desarrollaron una solución alternativa utilizando un solvente de solvatación débil para reducir la interacción entre el solvente y los iones de Li. Esta solución permitió la inserción selectiva de iones de Li en los materiales activos, asegurando un suministro estable de Li adicional al electrodo compuesto de grafito-SiOx.
El consumo inicial de Li se evitó por completo después de sumergir el electrodo de grafito-SiOx en la solución desarrollada por el equipo de investigación durante aproximadamente 1 minuto, incluso en una proporción de 50% de SiOx. En consecuencia, el electrodo mostró una alta eficiencia inicial de casi el 100%, lo que indica una pérdida de Li insignificante (≤ 1%) en la carga inicial. Los electrodos desarrollados a través de este proceso tenían una capacidad 2.6 veces mayor que los ánodos de grafito convencionales, mientras que también mantenían el 87.3% de la capacidad inicial después de 250 ciclos de carga / descarga.
Según el Dr. Minah Lee de KIST, “Como resultado de este estudio, deberíamos ser capaces de aumentar el contenido de SiOx en los ánodos compuestos de grafito-SiOx a más del 50%, en comparación con la proporción del 15% permitida por los materiales convencionales, lo que hace es posible producir baterías de iones de litio con mayor capacidad y mejorar el kilometraje de los futuros vehículos eléctricos ”.
El Dr. Jihyun Hong, co-investigador de KIST, agregó: "La tecnología es segura y adecuada para la producción en masa y, por lo tanto, es probable que se comercialice".