Nueva batería de litio sólida: pérdida del 2% de 120 veces la capacidad de carga y descarga con función de carga automática

Las baterías de litio-aire proporcionan más energía con el mismo peso y, por lo tanto, se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos móviles. Sin embargo, las baterías de litio-aire tienen muchas desventajas: calor elevado (una gran cantidad de energía química se convierte en energía térmica y no se proporciona al equipo), vida corta, procesos de fabricación costosos y complejos (cargar aire en la batería requiere equipos costosos, y muy problemático).

Recientemente, Liju, profesor de ingeniería nuclear en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, y Zhuzhi y otros cinco autores que trabajan en el MIT, el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Pekín escribieron en la revista Nature Energy. Se informa de una nueva tecnología llamada "cátodo de nanolitio", que se puede utilizar para fabricar baterías de litio cerradas con propiedades similares a las baterías de litio-aire para superar los problemas anteriores.

Liju dijo que una de las debilidades de las baterías de litio-aire es que el voltaje de carga y descarga varía, y el voltaje de descarga es 1.2 voltios más bajo que el voltaje de carga, por lo que la energía perdida en forma de energía térmica durante cada proceso de carga es tan alto como 30%. "Si carga demasiado rápido, su batería de litio podría quemarse".

Cierre el gas.

Cuando las baterías tradicionales de litio-aire se descargan, utilizan oxígeno del aire para reaccionar con el litio de la batería. Cuando se carga, el oxígeno del óxido de litio se libera a la atmósfera.

La nueva batería de cátodo de litio nanométrico también utiliza oxígeno y litio. La diferencia es que cuando se descarga, el oxígeno ya no se libera en forma de gas sino que está encerrado en un sólido. Específicamente, el oxígeno está encerrado en tres compuestos sólidos, Li2O, Li2O2 y LiO2, en tres estados oxidativos, y estas tres sustancias están encerradas en vidrio de dióxido de cobalto.

La ventaja de esto es que la batería de cátodo de nanolitio reduce cinco veces la diferencia de voltaje al cargar y descargar, de 1,2 voltios a 0,24 voltios, por lo que solo el 8% de la energía se pierde en forma de energía térmica durante la carga. Esto significa que las baterías de los automóviles se pueden cargar a un ritmo más rápido sin tener que preocuparse por el sobrecalentamiento de los incendios.

La segunda desventaja de las baterías de litio-aire es que el oxígeno liberado en forma de gas destruye los canales iónicos de la batería, lo que reduce la vida útil de las baterías de litio.

La nueva tecnología utiliza vidrio de dióxido de cobalto para envolver litio y oxígeno en un espacio a nanoescala. Los científicos llaman a esta estructura nanolitio. De esta forma, las transformaciones de LiO2, Li2O2 y Li2O no cambian la estructura macroscópica del material. Además, debido a que las propias partículas de nanolitio son muy inestables, la energía del vidrio de dióxido de cobalto con canales a nanoescala es suficiente para estabilizarlas. El dióxido de cobalto también desempeña el papel de catalizador en la carga y descarga.

Liju dijo que las baterías tradicionales de litio y aire son en realidad solo baterías de litio y oxígeno porque el vapor de agua y el dióxido de carbono en el aire reaccionan con el litio, por lo que las baterías de litio y aire deben estar equipadas con enormes sistemas auxiliares para eliminar el vapor de agua y el dióxido de carbono. Este es un paso muy difícil. La nueva batería de litio sólida ya no tiene este problema.

Función de sobrecarga autónoma

La nueva batería de litio sólido también tiene su propia función anti-carga, porque la reacción química en la batería se autorregulará a través de retroalimentación negativa, y cuando la electricidad esté llena, la reacción se detendrá automáticamente. Si la batería tradicional se sobrecarga, causará daños irreversibles a la batería e incluso explotará. Sin embargo, las baterías de litio sólidas se cargaron continuamente durante 15 días en el experimento, y la carga fue 100 veces mayor que la capacidad de la batería, pero la batería salió ilesa.

En el experimento de carga y descarga, la batería de litio sólida se recargó 120 veces y la capacidad se perdió solo un 2%, lo que significa que supera con creces la vida útil de la batería de litio-aire tradicional. Dado que las baterías de litio sólidas no requieren un sistema de purificación de aire auxiliar, se pueden aplicar fácilmente a vehículos eléctricos e incluso a estaciones de almacenamiento de red.

Dado que el cátodo de oxígeno sólido es mucho más liviano que el cátodo de una batería de iones de litio, la nueva batería de litio sólida puede almacenar el doble de energía que una batería de iones de litio de peso equivalente. Con la mejora de la tecnología, la potencia de la nueva batería se puede duplicar nuevamente.

La mayor ventaja de la nueva batería es que no necesita utilizar materiales caros y raros. El electrolito de carbonato de la batería es muy económico. Además, el vidrio de dióxido de cobalto es un 50% más ligero que las partículas de nanolitio. Por lo tanto, en comparación con las baterías de litio-aire, las baterías nuevas son muy baratas, seguras y tienen potencial para aplicaciones a gran escala. El equipo de investigación planea completar la producción de prototipos prácticos dentro de un año.

Jixulei, profesor asociado de la Universidad Estatal de Oregon que no participó en el proyecto, dijo que la nueva tecnología de baterías de litio ha realizado mejoras significativas sobre las baterías convencionales de litio-aire. El soluto de superóxido funciona bien en el dieléctrico de carbonato y no requiere ninguna intervención de oxígeno. En el proceso de carga y descarga, los materiales del cátodo son todos sólidos, por lo que la instalación y el uso de la nueva batería es muy conveniente.

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