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| Una comparación entre las células sin ánodo y las de iones de litio. A) celda de bolsa de iones de litio sin ánodo (izquierda) (derecha). B) Esquema de la celda de iones de litio NMC532 con las respectivas densidades de energía a nivel de la chimenea. C) celda libre de ánodo con respectiva densidad de energía a nivel de chimenea. D) Ilustración de paquetes de baterías de iones de litio (azul) y sin ánodo (violeta) fabricados con la misma cantidad de celdas y costo E) Ilustración de paquetes de baterías de iones de litio (azul) y sin ánodo (púrpura) hechos para el misma gama de vehículos. Fuente: Louli et al. |
Las baterías con altas densidades de energía podrían permitir la creación de una gama más amplia de vehículos eléctricos, incluidos los vehículos voladores que pueden transportar humanos en entornos urbanos. Estudios anteriores predicen que para respaldar la operación de vehículos capaces de despegar y aterrizar, las baterías requieren densidades de energía de aproximadamente 400 Wh kg -1 a nivel de celda, que es aproximadamente un 30% más alta que la densidad de energía de la mayoría de las baterías de iones de litio existentes (Li-ion).
Además de alimentar vehículos voladores, las celdas de alta energía (es decir, unidades individuales dentro de una batería que convierten la energía química en eléctrica ) podrían aumentar la autonomía que los vehículos eléctricos pueden viajar antes de que necesiten ser cargados nuevamente. También pueden reducir los costos generales de fabricación de los vehículos eléctricos, ya que se podrían lograr resultados similares utilizando menos celdas pero de mayor rendimiento.
Muchas de las investigaciones apuestan por el electrolito sólido como el futuro de las baterías, pero el grupo de investigación ha sugerido un camino diferente: las celdas de litio metálico tipo bolsa, sin ánodo, que emplean un electrolito líquido de sal dual LiDFOB/LiBF4. El equipo describe como resolver el problema que surge al reemplazar el ánodo de grafito convencional con litio metálico sin tener que usar electrolitos de estado sólido.
A pesar de sus altas densidades de energía , las celdas de metal de litio sin ánodo suelen tener una menor capacidad y ciclos de vida cortos. Esto se debe principalmente al hecho de que obtienen todo su litio del electrodo positivo y no usan exceso de litio. Además, su seguridad aún no se ha confirmado en entornos experimentales.
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| Estructura interna de luna celda de litio metálico libre de ánodo completamente cargada, funcionando a 4,5 voltios (a la izquierda) y completamente descargada, a 1,2 voltios (derecha). |
Investigadores de la Universidad de Dalhousie en Canadá han estado explorando formas en las que las limitaciones de las células de metal de litio sin ánodo podrían eludirse o superarse. En un artículo reciente publicado en Nature Energy , investigaron el fallo de las células sin ánodo que desarrollaron y propusieron una posible solución que podría prolongar su ciclo de vida. Su artículo se basa en uno de sus trabajos anteriores en el que exploraron el uso de electrolitos de carbonato de sal dual para extender la vida útil de las celdas de metal de litio sin ánodo.
Los investigadores utilizaron dos técnicas, microscopía electrónica de barrido y tomografía de rayos X, para identificar la causa de la falla en las células libres de ánodo que crearon. Sus hallazgos revelaron que la morfología de las células se deterioró con el tiempo. Luego investigaron este deterioro más a fondo utilizando dos técnicas adicionales: espectroscopia de resonancia magnética nuclear y mapeo de transmisión ultrasónica. Sus hallazgos sugirieron que la causa del deterioro del litio dentro de las celdas era el electrolito, que se dañaba y se agotaba con el tiempo.
Además de investigar las razones del fallo de las células libres de ánodo que crearon, los investigadores llevaron a cabo pruebas para evaluar su seguridad. Las observaciones que recopilaron a lo largo de su estudio les permitieron diseñar un electrolito que optimiza el rendimiento de sus células y extiende su vida útil hasta 200 ciclos, lo que es una mejora enorme en menos de un año, aunque todavía se encuentra lejos de lo que se precisa para su comercialización
Si bien el electrolito desarrollado por los investigadores es un paso adelante significativo en el desarrollo de baterías de alta energía con una vida útil más larga, para que las baterías sin ánodo se implementen en entornos del mundo real, estas vidas deberían extenderse aún más, ya que son todavía no es tan bueno como los de las baterías de iones de litio más tradicionales. En sus próximos estudios, los investigadores continuarán explorando formas en las que pueden aumentar significativamente la vida útil de sus células.
Fuente: Diagnosing and correcting anode-free cell failure via electrolyte and morphological analysis. Nature Energy (2020). DOI: 10.1038/s41560-020-0668-8.
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