Cómo afecta el material del electrodo de la batería a su rendimiento y vida útil

Diálogo del 15 de agosto de 2023

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por Dmitrii A. Rakov, Tech Xplore

Las baterías son dispositivos que almacenan y liberan energía moviendo partículas cargadas llamadas iones entre dos materiales llamados electrodos. Los electrodos están separados por un líquido o gel llamado electrolito, que contiene iones y otras moléculas. Cuando se utiliza una batería, se forma una fina capa de moléculas en la superficie de cada electrodo, llamada interfase de electrolito sólido (SEI).

Las baterías de iones de litio (LIB) y las baterías de iones de sodio (SIB) sufren de una reversibilidad deficiente de los procesos redox en la interfaz electrodo/electrolito, lo que se asocia con la formación de SEI reactivas y mecánicamente inestables. Los SEI estables, ricos en inorgánicos, pueden aislar la transferencia de electrones, permitiendo que solo ciertos iones se difundan, apoyando así el ciclo reversible más allá del límite electroquímico del electrolito.

Si bien las celdas electroquímicas que utilizan electrolitos de sales fundidas inorgánicas a temperaturas elevadas (> 100 °C) exhiben un rendimiento cíclico estable, las aplicaciones cotidianas dependen de electrolitos de baterías que comprenden tanto sales metálicas como disolventes orgánicos. Esta mezcla desencadena reacciones competitivas en la interfaz cargada, lo que provoca un consumo continuo de electrolitos y una deposición desigual del metal, es decir, la formación de dendritas en el caso de electrodos metálicos, lo que provoca fallos en la batería y, en ocasiones, problemas de seguridad.

Una de las formas más prácticamente escalables de optimizar la química y la morfología de SEI para el transporte de carga reversible es la co-selección de la química del electrolito y el protocolo de formación (es decir, condiciones iniciales de ciclo, con condiciones específicas de corriente/voltaje). Al mismo tiempo, se ha subestimado notablemente la importancia del material del electrodo en esta progresión, a pesar de su influencia inherente en las fases preliminares de la formación de SEI.

Para colmar este vacío de información, investigadores de las universidades Deakin y Monash (Melbourne, Australia) examinaron los efectos de las propiedades fisicoquímicas del electrodo sobre el mecanismo de formación de SEI con líquidos iónicos y electrolitos de sodio a base de carbonato. El trabajo se publica en la revista Energy & Environmental Science.

Utilizando una combinación de herramientas experimentales y teóricas, demostramos que la estructura de la interfaz electrolito-electrodo y las propiedades de la interfaz sólido-electrolito se ven sustancialmente afectadas por la polarizabilidad del electrodo (su naturaleza dieléctrica), y explicamos estos fenómenos en el contexto de la capacidad de los electrodos cargados para adsorber especies de electrolitos (ver figura arriba).

Específicamente, los electrodos no metálicos con fuerzas débiles de Van der Waals encuentran repulsión electrostática, impidiendo la acumulación de solventes o iones altamente polares que llevan la misma carga que la carga del electrodo. Esto afecta la concentración de complejos de Na-anión con un disolvente orgánico cerca del electrodo cargado. En consecuencia, las químicas de interfase formadas varían según las condiciones de carga aplicadas, lo que lleva al desarrollo de diferentes químicas de interfase, ya sea derivadas de solventes o derivadas de aniones.

Con este nuevo descubrimiento científico y conocimiento sobre la estructura de solvatación de iones en electrolitos determinados, podemos ser más racionales en el diseño de protocolos de ciclo inteligente para baterías recargables.

Esta investigación podría ayudar a diseñar mejores baterías para diversas aplicaciones, como vehículos eléctricos, almacenamiento de energía renovable o dispositivos portátiles. También podría ayudar a desarrollar nuevas formas de utilizar sistemas electroquímicos para otros fines, como fabricar productos químicos (electrocatálisis) o recuperar metales de residuos.

Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Más información: Dmitrii A. Rakov et al, El impacto de la conductividad de los electrodos en la estructuración de la interfaz de electrolitos y sus implicaciones en el rendimiento electroquímico del Na0/+, Energía y ciencias ambientales (2023). DOI: 10.1039/D3EE00864A

El Dr. Dmitrii A. Rakov es investigador postdoctoral en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Adelaida. Recibió su doctorado en la Universidad Deakin. Antes de incorporarse a la Universidad de Adelaida, el Dr. Rakov trabajó como investigador postdoctoral en el Instituto Australiano de Bioingeniería y Nanotecnología de la Universidad de Queensland, donde ahora ocupa un puesto de miembro adjunto en el grupo del profesor Chengzhong Yu. El Dr. Rakov también fue miembro de Impossible Without You en la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO), pasante en el Centro de Investigación Ames de la NASA y científico visitante en la Universidad de Tennessee Knoxville y el Laboratorio Nacional Oak Ridge. Los intereses de investigación del Dr. Rakov incluyen la comprensión molecular de los sistemas de almacenamiento de energía y los métodos para optimizar su rendimiento, en particular, electrolitos, interfaces e interfases.