Electrolitos de polímero de alto rendimiento de nanofibra de litio con conductividad superiónica para baterías de...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Química del estado sólido

Sus antecedentes:

• Los electrolitos compuestos en estado sólido (CSE) son cruciales para las baterías de litio de alta energía, pero enfrentan desafíos como una baja conductividad iónica y malas propiedades mecánicas.
• Los CSE existentes presentan limitaciones en la conductividad iónica, la resistencia mecánica, la estabilidad térmica y la ventana de tensión, lo que dificulta las aplicaciones prácticas.
• El desarrollo de electrolitos sólidos avanzados es esencial para superar estas limitaciones y permitir el almacenamiento de energía de próxima generación.

Objetivo del estudio:

• Sintetizar y caracterizar un nuevo conductor superiónico de litio (Li-HA-F) con una estructura de nanofibra ultralarga.
• Mejorar el rendimiento de los electrolitos compuestos en estado sólido mediante la incorporación de nanofibras Li-HA-F.
• Investigar la conductividad iónica, las propiedades mecánicas, la estabilidad térmica y el rendimiento electroquímico de los CSE resultantes.

Principales métodos:

• Síntesis de Li-HA-F con una estructura de nanofibras ultralargas.
• Fabricación de CSE mediante el acoplamiento de Li-HA-F con electrolitos sólidos a base de óxido de polietileno.
• Caracterización de la conductividad iónica, número de transferencia de Li+ y ventana de tensión.
• Pruebas mecánicas de resistencia y flexibilidad a la rotura.
• Ensayos electroquímicos de las semicélulas y baterías de estado sólido de LiFePO4/CSE/Li y NMC/CSE/Li.
• Cálculos teóricos para comprender los mecanismos de conducción.

Principales resultados:

• Se ha obtenido una conductividad iónica ultraalta a temperatura ambiente de 12,6 mS cm-1 para el Li-HA-F.
• Las CSE desarrolladas tienen una alta conductividad iónica (4,0 × 10-4 S cm-1 a 30 °C), un gran número de transferencia de Li+ (0,66) y una amplia ventana de tensión (5,2 V).
• Se ha demostrado una buena resistencia al calor y a la llama, flexibilidad y alta resistencia a la rotura (9,66 MPa) para el CSE reforzado con nanofibras.
• Las semicélulas de Li/Li mostraron un ciclo estable durante 2000 h con una densidad de corriente crítica de 1,4 mA cm-2.
• Las baterías de estado sólido ofrecían altas capacidades reversibles y un buen rendimiento en ciclos a través de un amplio rango de temperatura.

Conclusiones:

• Las nanofibras Li-HA-F proporcionan vías de doble conducción continuas e interfaces estables ricas en LiF, mejorando significativamente el rendimiento de CSE.
• El CSE mejorado exhibe una excelente conductividad iónica, integridad mecánica, estabilidad térmica y rendimiento electroquímico.
• Este nuevo CSE reforzado con nanofibras es un candidato prometedor para el desarrollo de baterías de metal de litio seguras y de alto rendimiento.