Investigadores del Centro de Investigación de Baterías de Próxima Generación del Instituto de Investigación de Electrotecnología de Corea (KERI, por sus siglas en inglés) desarrollaron una estructura de carbono poroso confinable con Li 1D con un núcleo hueco y una pequeña cantidad de nanopartículas de oro con afinidad de Li dentro del núcleo, para ser utilizadas en baterías de metal-litio para evitar la formación de dendritas.
Las baterías de metal de litio utilizan litio metálico en lugar de grafito como ánodo, ya que tiene una capacidad teórica veces mayor (3,860 mAh/g) que el grafito (372 mAh/g).
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A pesar de esta ventaja, el litio puede desarrollar dendritas si no se almacena de manera uniforme y efectiva durante el proceso de ciclo, lo que lleva a una expansión de gran volumen del electrodo, lo que a su vez puede acortar el ciclo de vida de la batería y causar problemas de seguridad como incendios y explosiones provocados por cortocircuitos internos.
Aquí es donde entra en juego la solución KERI.
En la nueva estructura, el oro controla la dirección de crecimiento del litio al reaccionar con él, induciendo así la deposición de Li dentro del núcleo. Además, se forman muchos poros de tamaño nanométrico en la parte de la carcasa para mejorar el movimiento de iones de litio hacia el espacio del núcleo.
Sin embargo, un desafío importante observado en el host de Li de núcleo hueco existente fue la deposición de Li en la capa de carbono conductor, no dentro del núcleo, en condiciones de carga de alta velocidad. Al ver esto, el equipo de KERI introdujo muchos poros de tamaño nanométrico en la cubierta y logró una eficiencia culómbica significativamente mejorada sin el crecimiento de dendritas de Li, incluso bajo una condición de prueba de alta corriente de 5 mA/cm2.
Los resultados de la simulación mostraron que la longitud de difusión de iones de litio reducida por los poros de la cubierta y la afinidad mejorada de Li por las nanopartículas de oro mantuvieron la deposición de litio dentro de la estructura incluso en condiciones de carga de alta corriente.
En un artículo publicado en la revista ACS Nano, los investigadores también señalan que el anfitrión Li diseñado mostró excelente rendimiento cíclico de más de 500 ciclos bajo una alta densidad de corriente de tasa 4C (82. 5% de retención de capacidad).
“A pesar del mérito de la alta capacidad, las baterías de metal de litio tienen muchos obstáculos que superar para su comercialización, principalmente debido a problemas de estabilidad y seguridad”, dijo el científico principal Byung Gon Kim en un comunicado de prensa. “Nuestro estudio tiene un valor incalculable porque desarrollamos una técnica para la producción en masa de depósitos de metal de litio con alta eficiencia culómbica para baterías de metal de litio de recarga rápida”.