Ingeniería de gradiente de polaridad para una conducción ultraalta de iones de litio

Área de la Ciencia:

• Ciencia de Materiales
• Electroquímica
• Almacenamiento de Energía

Sus antecedentes:

• Los electrolitos convencionales de baterías de iones de litio enfrentan inestabilidad operativa a temperaturas criogénicas debido a la heterogeneidad de la estructura de solvatación.
• La polaridad desequilibrada del disolvente en los electrolitos conduce a altas barreras de desolvatación y a una mayor resistencia al transporte iónico interfacial.
• Esto limita el rendimiento y la estabilidad de las baterías en entornos de frío extremo.

Objetivo del estudio:

• Introducir un paradigma de ingeniería de gradiente de polaridad (PGE) para abordar la disparidad de polaridad del disolvente en los electrolitos.
• Resolver sistemáticamente la heterogeneidad a escala atómica a través de la modulación electrónica.
• Permitir la operación estable de baterías de iones de litio en condiciones criogénicas extremas.

Principales métodos:

• Sustitución de carbono por azufre en esqueletos de carbonato para reducir la heterogeneidad dieléctrica.
• Modulación electrónica a escala atómica para lograr una coordinación equilibrada de Li+.
• Caracterización de las propiedades del electrolito, incluida la heterogeneidad dieléctrica, la energía de activación para la desolvatación y la conductividad iónica a bajas temperaturas.

Principales resultados:

• Se logró una reducción del 83% en la heterogeneidad dieléctrica al reemplazar el carbono por azufre en los electrolitos (Δε = 17.1).
• La estructura de solvatación homogeneizada aceleró la cinética de desolvatación (energía de activación de 34.97 kJ·mol⁻¹) y promovió la formación de intercara rica en LiF.
• Los electrolitos optimizados permitieron la operación en estado líquido hasta -110 °C, con una conductividad de 1 mS·cm⁻¹ a -80 °C, y el ciclado estable de celdas de bolsa LiCoO₂/Li a -20 °C (retención del 81% durante 400 ciclos).

Conclusiones:

• El paradigma de ingeniería de gradiente de polaridad (PGE) homogeneiza eficazmente las estructuras de solvatación en los electrolitos.
• Esto conduce a una estabilidad termodinámica intrínsecamente acoplada y a una cinética interfacial acelerada para el almacenamiento de energía en condiciones extremas.
• El estudio proporciona un marco de diseño universal y un plano a escala atómica para el desarrollo de baterías criogénicas de alto rendimiento.