Los investigadores de la Universidad de Tsinghua han avanzado en técnicas de microscopía para observar más de cerca lo que sucede a escala molecular en los electrolitos de las baterías de iones de litio, lo que abre nuevas vías para mejorar aún más el rendimiento.
Específicamente, los científicos analizaron los nitrilos, compuestos orgánicos con un átomo de carbono unido por triple enlace a un átomo de nitrógeno, que comúnmente se agregan a la fórmula de electrolitos para las baterías que usan un cátodo de óxido de cobalto y litio, lo que hace que estas baterías estén mucho más cerca de realizar su función. rendimiento teórico completo.
A pesar de ser de uso común, antes de este estudio, los investigadores de baterías no habían entendido realmente por qué los nitrilos funcionan de la manera en que lo hacen.
En un artículo publicado en la revista Nano Research, el grupo Tsinghua explica que el óxido de cobalto y litio (LiCoO2, o simplemente ' LCO') es el material más utilizado para los cátodos de las baterías de iones de litio, en particular las instaladas en dispositivos electrónicos portátiles gracias a la alta tensión de funcionamiento, la alta capacidad y la estabilidad de LCO. Pero lo que ha hecho que los cátodos LCO sean particularmente atractivos es que ofrecen más energía en una menor cantidad de espacio.
El rendimiento electroquímico y el mecanismo de trabajo del aditivo HTCN en el cátodo LiCoO2 de alto voltaje para celdas de bolsa prácticas. (Imagen de Nano Research).
Sin embargo, por el momento, los cátodos LCO solo pueden entregar aproximadamente la mitad de su capacidad específica teórica. Esto significa que a menudo les resulta difícil satisfacer las crecientes demandas de densidad de energía de los dispositivos electrónicos portátiles.
Una forma de evitar este problema sería aumentar el voltaje de carga limitado de las baterías que usan cátodos LCO. La tensión de carga limitada describe el punto en el que se considera que una batería está completamente cargada.
Más allá de este punto, la batería podría dañarse y muchos dispositivos simplemente se apagan cuando se alcanza el umbral de corte. Este umbral se establece de manera un tanto arbitraria, por lo que podría aumentarse, y tal operación de alto voltaje promete dar un impulso de densidad de energía a tales baterías.
Pero si se hace esto, surge un nuevo problema: la operación de alto voltaje puede exacerbar las reacciones químicas dañinas en la interfaz entre el cátodo y el electrolito. Esto puede provocar grietas y otros daños internos, que a su vez pueden deteriorar aún más la interfaz entre los electrodos. En última instancia, todo esto puede resultar en una disminución radical de la capacidad de la batería y un fuerte aumento de los problemas de seguridad. La temperatura de trabajo en estos dispositivos puede alcanzar 45 ℃ debido a su propia generación de calor, lo que acorta aún más la vida útil de la batería.
Desde hace algún tiempo, mezclar compuestos adicionales a la fórmula del electrolito para modificar la actividad de reacción del electrolito en la interfaz entre el cátodo ha demostrado ser una estrategia muy eficaz para disminuir la actividad de reacción del electrolito.
Hay varios compuestos diferentes que se utilizan como aditivos de electrolitos, pero para las baterías de iones de litio, los nitrilos son quizás los más utilizados. usó.
Entonces, para comprender verdaderamente el mecanismo de trabajo de los aditivos de nitrilo, los investigadores tomaron uno común, el 1,3,6-hexano-tri carbonitrilo (o HTCN) que contiene un ligando tridentado.
Interfaz más estable
Mientras la batería estaba funcionando, y superando con creces a un equivalente sin los aditivos de electrolitos HTCN, los investigadores utilizaron microscopía electrónica para observar más de cerca lo que estaba sucediendo. Combinaron sus observaciones con un análisis de la composición iónica y elemental del sistema. Descubrieron que el aditivo HTCN inhibía de manera muy efectiva la generación de grietas y la disolución de iones de cobalto.
