Diseño de electrolitos para baterías de iones de litio en condiciones de funcionamiento extremas

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Almacenamiento de energía

Sus antecedentes:

• Los electrolitos existentes para las baterías de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC811) tienen dificultades para satisfacer las demandas de alto voltaje, carga rápida, amplio rango de temperatura y seguridad.
• El diseño de electrolitos está limitado por la falta de principios rectores que conectan el rendimiento de la batería, la estructura de solvación y la química sólido-electrolito-interfase (SEI).

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y validar una nueva estrategia de diseño de electrolitos para baterías de iones de litio avanzadas.
• Abordar las limitaciones de los electrolitos actuales para lograr un alto voltaje simultáneo, una carga rápida, un funcionamiento a una amplia temperatura y no inflamabilidad.

Principales métodos:

• Se empleó una nueva estrategia de diseño de electrolitos basada en disolventes blandos.
• La estrategia se centró en equilibrar las interacciones Li+-solvente, la disociación de la sal y las propiedades electroquímicas.
• El rendimiento se validó utilizando celdas de monedas y bolsas de carbono de carbono NMC811 bajo diversas condiciones de temperatura y carga.

Principales resultados:

• El electrolito desarrollado permite que las celdas de monedas de radiocarbono NMC811 de 4,5 voltios conserven una capacidad significativa a -50 °C (75%) y a -60 °C (54%) a 0,1 °C.
• Las celdas de bolsa de madera de grafito NMC811 con electrolito magro lograron un ciclo estable con una eficiencia de Coulomb > 99,9% a -30 °C.
• Se observó la formación de interfasas similares ricas en fluoruro de litio en el cátodo y el ánodo, lo que impide el revestimiento de litio a bajas temperaturas.

Conclusiones:

• La estrategia de diseño de electrolitos basados en solventes blandos cumple con éxito los requisitos para baterías de iones de litio de alto voltaje, carga rápida, amplia temperatura y seguridad.
• Este enfoque proporciona un principio rector eficaz para el desarrollo futuro de electrolitos.
• El principio es potencialmente extensible a otras baterías de iones de metales alcalinos para aplicaciones en condiciones extremas.