¿Por qué la batería de litio es inestable?

En la actualidad, el uso de baterías de litio-azufre es cada vez más extenso, pero en ocasiones su estabilidad de ciclo no es satisfactoria. Los científicos finalmente han encontrado la respuesta a esta pregunta al realizar una investigación sobre la composición de sus electrolitos.

Cuando más necesita su teléfono móvil, ¿se preocupa por él? Cuando conduce un automóvil eléctrico, ¿qué hace cuando no hay electricidad en el automóvil? Para estos problemas, ¡una batería ligera de litio y azufre puede responderle! Su capacidad de almacenamiento de energía es más del doble que la de la batería en el estante del supermercado, pero a menudo no hay electricidad y la vida útil no es larga. Los científicos del Centro de Investigación Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR) y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han descubierto una de las razones detrás de este problema.

Descubrieron que las sales utilizadas en el electrolito de la batería marcan una gran diferencia. Cuando una sal llamada LiTFSI (bis (trifluorometilsulfonimida) de litio) se convierte en un electrolito de una batería, la batería de prueba puede funcionar más de 200 veces mientras se mantiene la cantidad máxima de carga y descarga. En las baterías de litio-azufre, LiTFSI une átomos de litio y azufre en los electrodos, pero los libera rápidamente. Por el contrario, un electrolito similar tiene una fuerza de unión más fuerte en los átomos de litio y azufre y no se libera en absoluto. El resultado es una rápida disminución del rendimiento de la batería; no hay energía después de hacer funcionar la batería decenas de veces.

Una de las preocupaciones de los vehículos eléctricos es que los conductores no quieren quedar atrapados entre estaciones de carga cuando conducen por la autopista durante mucho tiempo. Esta preocupación ha llevado a los consumidores a decidirse por comprar coches de baja cilindrada. Los resultados de este estudio añaden otro factor importante a la guía de diseño de baterías de litio y azufre de alta energía.

Para determinar el efecto del electrolito en las baterías de litio-azufre, el equipo de investigación utilizó LiTFSI y LiFSI para experimentos relacionados. LiTFSI y LiFSI son electrolitos muy similares, solo LiFSI contiene menos carbono y flúor que LiTFSI. Utilizaron el equipo en el laboratorio molecular ambiental para probar continuamente la energía de la carga y descarga de la batería y finalmente investigaron el electrodo.

Descubrieron que las baterías de litio y azufre utilizan LiTFSI como electrolito, los átomos de litio están unidos por átomos de azufre y se forma sulfuro de litio (LiSx) en la superficie del electrodo. Cuando se utiliza LiFSI como electrolito, se forma sulfato de litio (LiSOx). Al calcular la estanqueidad de la combinación de los dos compuestos de litio, encontraron que el sulfuro de litio se rompe fácilmente para liberar litio. Sin embargo, el sulfato de litio es difícil de separar, por lo que el elemento oxígeno en el sulfato de litio es el culpable.

"Al combinar el análisis de componentes macroscópicos con la simulación, podemos ver qué enlaces se rompen fácilmente y qué sucede si se rompen los enlaces químicos". El Dr. Ji-Guang (Jason) Zhang, quien dirige la investigación en el Laboratorio Nacional, dijo: "Este proceso nos permite identificar el comportamiento de los electrolitos, llevarnos a diseñar mejores electrolitos y aumentar el ciclo de vida del litio-azufre baterías ".

Para los investigadores, el siguiente paso es estudiar los aditivos de electrolitos para formar una capa protectora en la superficie del ánodo de litio para protegerlo de la corrosión.

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