El nuevo método de cebado mejora la duración de la batería hasta en un 44%

Por Universidad Rice8 de julio de 2023

Investigadores de la Universidad Rice han desarrollado un método escalable para mejorar la vida útil de las baterías de iones de litio mediante prelitiación, un proceso que recubre ánodos de silicio con partículas de metal de litio estabilizadas, mejorando la vida útil de la batería hasta en un 44%.

El potencial de las baterías de ánodo de silicio para transformar las soluciones de almacenamiento de energía es fundamental para abordar los objetivos climáticos y aprovechar plenamente las capacidades de los vehículos eléctricos.

No obstante, la pérdida persistente de iones de litio en los ánodos de silicio es un obstáculo importante para el desarrollo de baterías de iones de litio de próxima generación.

Los científicos de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de la Universidad Rice han desarrollado un método fácilmente escalable para optimizar la prelitiación, un proceso que ayuda a mitigar la pérdida de litio y mejora los ciclos de vida de las baterías al recubrir ánodos de silicio con partículas de metal de litio estabilizadas SLMP.

Quan Nguyen (izquierda), Sibani Lisa Biswal y sus colaboradores desarrollaron una técnica de prelitiación que ayuda a mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio con ánodos de silicio. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad Rice

El laboratorio Rice de la ingeniera química y biomolecular Sibani Lisa Biswal descubrió que rociar los ánodos con una mezcla de partículas y un tensioactivo mejora la vida útil de la batería entre un 22% y un 44%. Las celdas de batería con una mayor cantidad de recubrimiento lograron inicialmente una mayor estabilidad y vida útil. Sin embargo, hubo un inconveniente: cuando se cicló a plena capacidad, una mayor cantidad de recubrimiento de partículas provocó una mayor captura de litio, lo que provocó que la batería se desgastara más rápidamente en ciclos posteriores.

El estudio se publica en ACS Applied Energy Materials.

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Un átomo puede unirse hasta con cuatro iones de litio.

Quan Nguyen es un alumno de doctorado en ingeniería química y biomolecular y autor principal del estudio. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad Rice

"El silicio es uno de esos materiales que tiene la capacidad de mejorar realmente la densidad de energía del lado del ánodo de las baterías de iones de litio", dijo Biswal. "Es por eso que actualmente existe este impulso en la ciencia de las baterías para reemplazar los ánodos de grafito por otros de silicio".

Sin embargo, el silicio tiene otras propiedades que presentan desafíos.

"Uno de los principales problemas del silicio es que forma continuamente lo que llamamos una interfase de electrolito sólido o capa SEI que en realidad consume litio", dijo Biswal.

La capa se forma cuando el electrolito de una celda de batería reacciona con electrones e iones de litio, lo que da como resultado una capa de sales a escala nanométrica depositada en el ánodo. Una vez formada, la capa aísla el electrolito del ánodo, impidiendo que la reacción continúe. Sin embargo, el SEI puede romperse a lo largo de los ciclos de carga y descarga posteriores y, a medida que se reforma, agota aún más irreversiblemente la reserva de litio de la batería.

Quan Nguyen (izquierda) y Sibani Lisa Biswal. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad Rice

"El volumen de un ánodo de silicio variará a medida que se realiza el ciclo de la batería, lo que puede romper el SEI o hacerlo inestable", dijo Quan Nguyen, alumno de doctorado en ingeniería química y biomolecular y autor principal del estudio. "Queremos que esta capa permanezca estable durante los ciclos posteriores de carga y descarga de la batería".

El método de prelitiación desarrollado por Biswal y su equipo mejora la estabilidad de la capa SEI, lo que significa que se agotan menos iones de litio cuando se forma.

"La prelitiación es una estrategia diseñada para compensar la pérdida de litio que normalmente ocurre con el silicio", dijo Biswal. “Puedes pensar en ello en términos de imprimación de una superficie, como cuando estás pintando una pared y primero necesitas aplicar una capa base para asegurarte de que la pintura se adhiera. La prelitiación nos permite 'cebar' los ánodos para que las baterías puedan tener un ciclo de vida mucho más estable y más largo”.

Si bien estas partículas y la prelitiación no son nuevas, el laboratorio de Biswal pudo mejorar el proceso de una manera que se incorpora fácilmente a los procesos de fabricación de baterías existentes.

Quan Nguyen sostiene una de las baterías ensambladas utilizando el protocolo previo a la litiación descrito en el estudio. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad Rice

"Un aspecto del proceso que es definitivamente nuevo y que desarrolló Quan fue el uso de un surfactante para ayudar a dispersar las partículas", dijo Biswal. “Esto no se había informado antes y es lo que permite tener una dispersión uniforme. Entonces, en lugar de que se amontonen o se acumulen en diferentes bolsillos dentro de la batería, se pueden distribuir uniformemente”.

Nguyen explicó que mezclar las partículas con un disolvente sin tensioactivo no dará como resultado un recubrimiento uniforme. Además, el recubrimiento por pulverización demostró ser mejor para lograr una distribución uniforme que otros métodos de aplicación sobre ánodos.

"El método de recubrimiento por pulverización es compatible con la fabricación a gran escala", afirmó Nguyen.

Controlar la capacidad cíclica de la celda es crucial para el proceso.

"Si no se controla la capacidad a la que hace circular la celda, una mayor cantidad de partículas desencadenará este mecanismo de captura de litio que descubrimos y describimos en el artículo", dijo Nguyen. “Pero si cicla la celda con una distribución uniforme del recubrimiento, entonces no se producirá atrapamiento de litio.

"Si encontramos formas de evitar la captura de litio optimizando las estrategias de ciclo y la cantidad de SLMP, eso nos permitiría explotar mejor la mayor densidad de energía de los ánodos basados ​​en silicio".

Referencia: “Efectos de la prelitiación al mejorar los ánodos basados ​​en silicio para baterías de iones de litio de celda completa utilizando partículas de metal de litio estabilizadas” por Quan Anh Nguyen, Anulekha K. Haridas, Tanguy Terlier y Sibani Lisa Biswal, 1 de mayo de 2023, ACS Applied Energy Materials .DOI: 10.1021/acsaem.3c00713

Biswal es profesor William M. McCardell de Ingeniería Química de Rice, profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería, y decano asociado de desarrollo docente.

El estudio fue financiado por el Programa de Investigación Universitaria de Ford Motor Co., la Fundación Nacional de Ciencias y la Autoridad de Equipos Compartidos de Rice.