Por World energy trade – 16 de diciembre de 2024
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Investigadores coreanos han prolongado la vida útil de los ánodos de litio metálico en un 750% utilizando agua, lo que supone un gran avance en las tecnologías de baterías.
El equipo del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ha desarrollado una nueva generación de materiales para ánodos con el objetivo de superar las limitaciones de rendimiento de las baterías comerciales.
Los investigadores crearon una innovadora membrana con canales huecos que dirigen el flujo de iones para obtener una capa de litio uniforme.
El diseño ecológico utiliza capas de nanofibras huecas para mejorar la estabilidad del litio y prolongar la vida útil de las baterías de litio metal de próxima generación.
«Aprovechando las funciones protectoras tanto físicas como químicas, pudimos guiar las reacciones reversibles entre el metal de litio y el electrolito de forma más eficaz y suprimir el crecimiento de dendritas, lo que dio como resultado ánodos de metal de litio con unas características de vida útil sin precedentes», afirma en un comunicado el profesor Il-Doo Kim, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del KAIST.
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Baterías ecológicas
Las baterías recargables han avanzado, pero su capacidad de almacenamiento de energía sigue siendo limitada. Los ánodos metálicos de litio (Li) ofrecen una alta capacidad específica (3860 mAh g-1 para las baterías de Li metálico, 1670 mAh g-1 para las de Li-S) y un bajo potencial electroquímico (-3,040 V frente al electrodo de hidrógeno estándar), superando a los sistemas convencionales.
Sin embargo, los ánodos de Li se enfrentan a problemas como el crecimiento de dendritas y la formación de Li muerto, que provocan una baja eficiencia, cambios de volumen y riesgos de seguridad. Estos problemas surgen de las reacciones interfaciales entre el Li y los electrolitos orgánicos, que forman capas inestables de interfase electrolítica sólida (SEI).
Según los investigadores, las capas SEI ideales deberían evitar los fallos estabilizando las reacciones químicas y soportando las tensiones mecánicas durante los ciclos.
Las capas SEI artificiales, que utilizan materiales como estructuras metalorgánicas y películas poliméricas, ofrecen soluciones, pero implican costes elevados, procesos complejos y funciones limitadas.
Las alternativas basadas en polímeros suelen requerir múltiples pasos y aditivos. Los enfoques ecológicos con materiales biocompatibles son prometedores, pero su aplicación generalizada exige abordar la sostenibilidad y la eliminación de residuos.
En el nuevo estudio, los investigadores desarrollaron una membrana SEI artificial bifuncional mediante un proceso de electrospinning sostenible.
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Mayor vida útil
La membrana combina goma carboximetil guar sustituida por iones de litio (CMGG-Li) y poliacrilamida (PAM), lo que proporciona estabilidad mecánica y química a los ánodos metálicos de litio.
La CMGG y la PAM, biocompatibles y procesables en agua, permiten un proceso de fabricación completamente ecológico y basado en el agua.
La membrana presenta unas nanofibras huecas únicas que mejoran el transporte de iones de litio, lo que se consigue únicamente controlando las interacciones entre CMGG-Li y PAM, sin aditivos ni calcinación a alta temperatura.
Según los investigadores, las propiedades litiofílicas del CMGG-Li y el grupo amida de la PAM contribuyen a la formación de SEI estables, lo que garantiza un recubrimiento de litio eficaz y la prevención de dendritas.
«La capa protectora de nanofibras controló eficazmente las reacciones químicas reversibles entre el electrolito y los iones de litio. Los espacios huecos dentro de las fibras suprimieron la acumulación aleatoria de iones de litio en la superficie metálica, estabilizando la interfaz entre la superficie metálica de litio y el electrolito», afirma el equipo en un comunicado.
Los ánodos de metal de litio con esta capa protectora mejoraron en un 750% la vida útil de los ánodos convencionales. La batería mantuvo el 93,3% de su capacidad después de 300 ciclos, lo que demuestra un rendimiento excepcional.
Además, la capa protectora natural se descompone totalmente en el suelo en un mes, lo que confirma su diseño ecológico desde la producción hasta su eliminación.
«A medida que la carga medioambiental causada por la producción y eliminación de baterías se convierte en un problema acuciante debido a la creciente demanda de baterías, este método de fabricación a base de agua con propiedades biodegradables contribuirá significativamente a la comercialización de baterías ecológicas de próxima generación», afirmó Il-Doo Kim en un comunicado.
Foto tomada de pixabay.com
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