Si bien el metal de litio es un ánodo ideal para las baterías de alta densidad de energía de próxima generación, aún existen algunos desafíos que deben abordarse antes de que pueda desarrollar todo su potencial. Un equipo de investigación realizó un estudio sobre el comportamiento de deposición del litio y desarrolló una estrategia de host de carbono duro que aborda con éxito algunos de los problemas que enfrenta actualmente el desarrollo de ánodos de metal de litio. «Esta estrategia aborda los problemas de cambio de volumen y dendritas a través de electrolitos y anfitriones diseñados racionalmente, y ofrece una perspectiva amplia para realizar un ánodo de metal de litio», dijo Liping Wang, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China.

Si bien el metal de litio es un ánodo ideal para las baterías de alta densidad de energía de próxima generación, aún existen algunos desafíos que deben abordarse antes de que pueda desarrollar todo su potencial. Un equipo de investigación realizó un estudio sobre el comportamiento de deposición del litio y desarrolló una estrategia de host de carbono duro que aborda con éxito algunos de los problemas que enfrenta actualmente el desarrollo de ánodos de metal de litio. «Esta estrategia aborda los problemas de cambio de volumen y dendritas a través de electrolitos y anfitriones diseñados racionalmente, y ofrece una perspectiva amplia para realizar un ánodo de metal de litio», dijo Liping Wang, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China.

El equipo publicó su investigación en la revista investigación nano en 07 de diciembre de 2022.

El metal de litio se considera un ánodo prometedor para las baterías de próxima generación debido a su capacidad teórica ultra alta, potencial de electrodo extremadamente bajo y baja densidad. Sin embargo, el litio metálico sufre un crecimiento incontrolable de dendritas de litio, reacciones secundarias y un cambio de volumen relativo infinito. Estos problemas pueden reducir la eficiencia de la batería y acortar su vida útil, posiblemente incluso provocando cortocircuitos o riesgos para la seguridad.

Con el tiempo, los investigadores han propuesto diferentes estrategias para reducir el crecimiento de las dendritas y la expansión del volumen. Estas estrategias incluyen la construcción de ánodos de litio compuestos tridimensionales, la optimización de la composición de electrolitos, la aplicación de fases intermedias artificiales y el uso de electrolitos en estado sólido.

El anfitrión tridimensional es la estrategia más prometedora para abordar los problemas de expansión de volumen y crecimiento de dendritas. Los materiales a base de carbono son candidatos anfitriones ideales para los ánodos de metal de litio debido a su peso ligero, alta conductividad y muchas estructuras de poros, y propiedades electroquímicas/químicas estables. «A pesar de estas ventajas, los desafíos de la expansión del volumen y el crecimiento de las dendritas no han sido completamente resueltos por el host basado en carbono», dijo Wang.

Más recientemente, los investigadores han explorado la modificación de materiales de carbono con especies litófilas (como zinc, óxido de zinc, aluminio, estaño, silicio, plata y magnesio) y el desarrollo de electrolitos apropiados como métodos efectivos para mejorar el desempeño de estos tres componentes. materiales de acogida dimensional. «Sin embargo, el comportamiento de la deposición de litio y su mecanismo intrínseco en estos procesos no se han analizado sistemáticamente», dijo Wang.

Para comprender mejor la relación estructura-actividad y guiar el desarrollo de electrodos anfitriones basados ​​en carbono de alto rendimiento, el comportamiento de la deposición de litio y su mecanismo intrínseco, el equipo de investigación realizó un estudio en profundidad. Utilizaron un microscopio óptico y un microscopio electrónico de barrido para estudiar sistemáticamente el comportamiento de la deposición de litio del electrodo de hidrocarburo bajo diferentes modificaciones superficiales y electrolitos. Descubrieron que el litio no se deposita espontáneamente en los poros de carbono, lo que depende significativamente del área de la superficie del carbono, la densidad de corriente, la capacidad de la superficie y el electrolito.

Por lo tanto, el equipo desarrolló un carbón duro comercial modificado litiofílicamente con plata como huésped estable. Descubrieron que la introducción de sitios litiofílicos inducía un crecimiento moderado de dendritas e inhibía la expansión del volumen. También descubrieron que los electrolitos localizados de alta concentración demostraron ser más compatibles con el litio y podrían optimizar la morfología del depósito de litio en lugar de la dendrita. Por lo tanto, en el electrolito de alta concentración localizado, el electrodo de plata/hidrocarburo mostró poco cambio de volumen durante el ciclo, logró una morfología uniforme y libre de dendritas del depósito de litio y mostró un buen ciclo a largo plazo con alta eficiencia durante 316 ciclos.

Resumiendo sus hallazgos, el equipo explicó que aunque el carbono poroso tiene espacio para contener teóricamente litio, los iones de litio no se depositan en los poros esperados porque los átomos de litio prefieren agruparse en modo de crecimiento explosivo y son lo suficientemente fuertes como para soportar las partículas de carbono. También descubrieron que la modificación de la superficie del carbono puede moderar parcialmente la deposición de litio a medida que disminuye la barrera de nucleación. Sin embargo, no es significativamente eficiente ya que es un comportamiento de deposición de litio-litio después de depositar litio sobre carbón litiofílico. El equipo aprendió que el uso de electrolitos altamente concentrados localizados es más eficiente para lograr una deposición de litio libre de dendritas.

El equipo de investigación incluye a Ge Zhou, Yulin Zhao, Chuan Hu, Zhenzhen Ren, Hong Li y Liping Wang de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China.

Este trabajo está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales y el proyecto financiado por la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China.

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