ViPER Group anuncia un gran avance en tecnología de baterías
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La investigación de la Universidad de Purdue se muestra prometedora para desarrollar baterías de metal de litio recargables de alta densidad de energía y abordar la inestabilidad de oxidación electroquímica de los electrolitos a base de éter. La investigación fue realizada por el Grupo de Investigación de Energía Vilas Pol (ViPER) de la Universidad de Purdue.
El informe de investigación ha sido publicado en Nature Communications, una revista científica revisada por pares y de acceso abierto publicada por Nature Portfolio. Zheng Li, asistente de investigación graduado en la Escuela de Ingeniería Química Davidson, es el autor principal.
El enfoque de ViPER Group es el diseño y la fabricación de materiales de alta capacidad para la próxima generación de sistemas de baterías de iones de litio, litio-azufre, iones de sodio, de estado sólido y de temperatura ultrabaja más seguras .
Vilas Pol, profesor de ingeniería química, dijo: “El rápido crecimiento de las tecnologías de almacenamiento de energía destinadas a reducir los objetivos propuestos de emisiones de carbono y las enormes demandas de sistemas de almacenamiento de energía también existen en los mercados de vehículos eléctricos y electrónicos de consumo. Requieren baterías de Li de próxima generación con mayor densidad de energía y mayor seguridad”. Pol, profesor de ingeniería química, ha dirigido los principales laboratorios de Purdue para la fabricación de baterías, pruebas de seguridad electroquímica y térmica desde 2014.
Reemplazar el material del ánodo de grafito convencional con metal de litio de alta energía es un enfoque muy prometedor. Sin embargo, este material de ánodo del "santo grial" adolece de inconvenientes desafiantes de baja ciclabilidad y seguridad, etc.
“Desde la perspectiva de la investigación fundamental sobre nuevas tecnologías LMB, es fundamental desarrollar meticulosamente una química de electrolitos líquidos adecuada que funcione con ánodos y cátodos prometedores”, dijo Pol.
En su estudio, los investigadores demostraron que el electrolito a base de éter de baja concentración puede soportar con éxito la operación a largo plazo de alto voltaje (4,3 V) de LMB práctico en configuraciones viables de la industria, cuando se usa el éter dipropílico altamente no polar como solvente electrolítico.
Li señaló: “Realizar el ciclo a largo plazo del ánodo de metal de litio y el cátodo de alto voltaje simultáneamente con electrolito diluido a base de éter es el principal desafío de este estudio. Los éteres tienen poca estabilidad a la oxidación a pesar de sus compatibilidades razonables con el ánodo de metal litio. Por lo tanto, nuestro objetivo era ampliar sus capacidades de alto voltaje. Desde el nivel molecular, confirmamos las correlaciones esenciales entre los comportamientos de solvatación de los electrolitos diluidos a base de éter y su desempeño en electrodos positivos de alto voltaje”.
Las correlaciones se interpretaron aún más a través de simulaciones detalladas de dinámica molecular clásica (MD) y cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT) junto con análisis experimentales multimodales. Se demostró que la regulación de la estructura de solvatación de los electrolitos a base de éter puede reorganizar el orden de degradación de las especies de solvatación y formar selectivamente una protección robusta en la superficie del cátodo. También ajusta la composición de la doble capa eléctrica superficial para evitar la oxidación del éter.
Este enfoque único de supresión cinética difiere de las estrategias convencionales, como el uso de electrolitos de ultra alta concentración o la introducción de fluoración molecular para mejorar la estabilidad del electrolito, lo que aumenta drásticamente el costo de la batería. Se espera que el LMB desarrollado por el grupo ViPER mejore un 40% la densidad de energía, en comparación con las baterías de iones de litio convencionales.
El trabajo de investigación está financiado por Naval Enterprise Partnership Teaming with Universities for National Excellence (NEPTUNE), Oficina de Investigación Naval.
La química de la batería de litio de metal completo sigue progresando. Una revisión superficial de los posibles diseños de química de baterías sugiere que el litio metálico podría ser un diseño de batería de primer nivel durante un buen período de tiempo. Pero solo si los problemas pueden resolverse y el precio del litio no se vuelve inalcanzable. Un problema aún mayor es: ¿el mejor diseño será un artículo económico para producir a escala?
El litio ya está subiendo bastante de precio y la economía mundial no está precisamente en auge. Sin embargo, este es un trabajo de alta calidad bienvenido que ha acercado la tecnología a la utilidad. Esperemos que el último problema esté a punto de resolverse.
Por Brian Westenhaus a través de New Energy and Fuel.
