Las baterías recargables de iones de litio (Li-ion) son la tecnología dominante no solo para los dispositivos electrónicos portátiles, sino que también se están convirtiendo en la batería de elección para aplicaciones de almacenamiento de energía de vehículos eléctricos y redes eléctricas.
En una batería de iones de litio, el cátodo (electrodo positivo) es un óxido de litio metálico, mientras que el ánodo (electrodo negativo) es grafito. Pero los investigadores están buscando formas de reemplazar el grafito con litio metálico como ánodo para aumentar la densidad de energía de la batería.
Las baterías de litio basadas en metal de litio, como las baterías Li-Sulphur y Li-Air, han recibido una atención considerable porque la densidad de empaquetamiento de los átomos de litio es la más alta en su forma metálica y el metal Li puede almacenar 10 veces más energía que el grafito.
Sin embargo, existen preocupaciones de seguridad y rendimiento para estos tipos de baterías que surgen de la formación de dendritas en los electrodos metálicos; un problema que se ha conocido e investigado desde los años sesenta.
Estas dendritas se forman cuando los iones metálicos se acumulan en la superficie de los electrodos de la batería a medida que el electrodo se degrada durante el proceso de carga. Las dendritas a menudo son responsables de los fallos violentos de las baterías que se publicitan en las noticias.
Cuando estos depósitos de filamentos similares a ramas se alargan hasta que penetran en la barrera entre las dos mitades de la batería, pueden causar cortocircuitos eléctricos, sobrecalentamiento e incendios. También causan importantes pérdidas de eficiencia de ciclismo.
Para evitar las dendritas, los investigadores están experimentando con nuevas químicas de electrolitos de baterías, nuevas tecnologías de separación y nuevos hospedadores físicos para el metal de litio.
Los hospedadores de carbono, en particular, son muy prometedores, ya que pueden agregarse al ánodo con poco costo adicional y con una modificación mínima del proceso de fabricación y se están convirtiendo en una forma importante de estabilizar los ánodos de metal Li.
Sin embargo, hay hallazgos aparentemente contradictorios reportados en cientos de publicaciones anteriores sobre el tema: los hospedadores, que predominantemente están hechos de varios carbonos nanoestructurados como el grafeno, son en algunos casos muy efectivos para eliminar las dendritas. En otros casos, no funcionan en absoluto, o en realidad empeoran el problema de la dendrita.
Hasta ahora, el diseño de tales sistemas host ha sido en gran medida edisoniano: los investigadores utilizan un enfoque de prueba y error para encontrar una arquitectura / estructura que funcione mejor que el resto.
En un nuevo trabajo presentado en la portada de Advanced Energy Materials ( «Pristine o Highly Defective? Understanding the Role of Graphene Structure for Stable Lithium Metal Plating» ), un equipo de investigación de la Universidad de Sichuan en China y la Universidad de Clarkson en los Estados Unidos han descubierto una Regla de diseño clave para las baterías de metal Li: si desea suprimir las dendritas, debe utilizar un host sin defectos. Más generalmente, los defectos de carbono catalizan el crecimiento de dendritas en los ánodos metálicos.
Estos hallazgos abordan el principal problema científico de explicar cómo la estructura y la química del carbono per se afecta el crecimiento de la dendrita.
«Descubrimos una relación crítica e inesperada entre el defecto químico / estructural del host (grafeno) y su capacidad para suprimir las dendritas» , explica el profesor David Mitlin , quien dirigió el trabajo, a Nanowerk. «Para hacer esto, creamos lo que podría ser el grafeno más puro y ordenado del mundo y lo comparamos con un grafeno estándar basado en óxido de grafeno reducido. El uso de dichos materiales opuestos proporcionó una visión única y fundamental de la forma en que se forman y crecen las dendritas de litio».
«El hallazgo clave, que guiará racionalmente los futuros esfuerzos de diseño de baterías de litio, es que los defectos de carbono son en sí mismos catalizadores para el crecimiento de dendritas», señala el profesor Wei Liu del Instituto de Nueva Energía y Tecnología de Bajo Carbono de la Universidad de Sichuan, y el primer autor del artículo, afuera. «Gran parte del ‘daño’ al ánodo responsable en última instancia de las dendritas ocurre incluso antes de que la batería se cargue por primera vez. Los defectos en el huésped de carbón corroen el electrolito a bajos voltajes, lo que lleva a la formación temprana de dendritas».
El equipo planteó la hipótesis de que lo que importaba era la estructura / química del huésped, pero que necesitaba crear sistemas de modelos ideales para probar la hipótesis.
El enfoque único de la Sonicación asistida por flujo (FAS) del profesor Wei Liu les permitió crear grafeno casi sin defectos. Literalmente, tal grafeno libre de oxígeno y libre de defectos estructurales nunca se ha sintetizado antes por un método de química húmeda.
Este grafeno es de 1 a 3 capas atómicas de espesor y con solo alrededor del uno y medio por ciento de oxígeno. Esto es mucho más puro que el típico ocho por ciento o más de oxígeno que se encuentra en la mayoría de los materiales de grafeno.
«Sirvió como un banco de pruebas perfecto para explorar nuestra hipótesis», dice Liu. «Sin esa estructura prístina, no habría sido posible obtener las respuestas concluyentes al problema del crecimiento de la dendrita».
Él enfatiza que esto en sí mismo es un logro transformador para las comunidades de carbono y energía, ya que antes solo la deposición de vapor podría obtener tales estructuras libres de defectos ideales.
El equipo luego comparó su grafeno libre de defectos con una línea de base de grafeno Hummers altamente defectuosa que se encuentra en la literatura.
«Una comparación directa de uno a uno nos permitió obtener una perspectiva única del papel de los defectos de carbono en el crecimiento de dendritas de Li», dice Mitlin. «Un nuevo hallazgo crítico es que la formación de interfase de electrólito sólido (SEI) ANTES de que el metalizado realmente dicte dendritas. El destino del ánodo de metal Li está en efecto sellado una vez que el huésped de carbono forma SEI en la carga inicial».
En el futuro, los investigadores planean comercializar materiales de host de grafeno sin defectos para las baterías de litio de próxima generación. También planean comprender mejor la compleja relación entre los defectos del carbono y las dendritas metálicas mediante el examen de los carbonos con estructura / química ajustada para baterías de litio, sodio y potasio.
Por Michael Berger : Michael es autor de dos libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology and Nanotechnology: The Future is Tiny .
