Una revisión de la historia de las baterías de iones de litio en Goodenough

Debido a la capacidad de difusión rápida de H + en solución acuosa, las primeras baterías recargables utilizaban principalmente ácidos fuertes (H2SO4) o bases fuertes (KOH) como electrolitos. En ese momento, la batería recargable más confiable era NiOOH como electrodo positivo. El fuerte contenido alcalino es la batería de níquel-hidrógeno del electrolito, pero todos sabemos que la ventana de estabilidad electroquímica del agua es muy estrecha, lo que limita el voltaje de funcionamiento de la batería recargable, lo que resulta en una menor densidad de energía de las baterías recargables que utilizan soluciones acuosas. .

Para expandir la estabilidad electroquímica de los electrolitos, se han realizado muchos intentos. En 1967, JosephKummer y Neill Weber de Ford Motor Company descubrieron que algunos materiales cerámicos tienen altas velocidades de difusión de Na + a una temperatura alta de 300 ° C. Y usando esto como una oportunidad para desarrollar una batería recargable usando el electrodo negativo de Na de metal fundido y el electrodo positivo de S / grafito fundido, la alta temperatura de trabajo dificulta que la batería encuentre un lugar útil en la práctica. Pero esto no impide que la batería lleve la tecnología de electrolitos de estado sólido a los ojos de las personas, lo que también allana el camino para el auge de las baterías totalmente sólidas en la actualidad. Googenough, que trabajaba en el Laboratorio Lincoln del MIT, vio la perspectiva de esta tecnología, siguió la tecnología y desarrolló Na1 + xZr2SixP3 con la alta conductividad de Na + de HenryHong. Los electrolitos xO12, pero debido a la baja conductividad de los electrolitos sólidos a temperatura ambiente, no atrajeron mucha atención en ese momento.

En la década de 1970, una inesperada crisis del petróleo azotó a Estados Unidos. En ese momento, Estados Unidos dependía demasiado de las importaciones de petróleo, por lo que esta crisis petrolera golpeó a la sociedad estadounidense. Desde entonces, Estados Unidos ha comenzado a desarrollar vigorosamente la energía renovable, como la eólica y la solar, para reducir la dependencia de la energía fósil como el petróleo. El desarrollo de la energía eólica y solar tendrá que afrontar un problema. Estas fuentes de energía renovable dependen básicamente de la ingesta alimentaria y son difíciles de adaptar a los requisitos de estabilidad de la red. Por lo tanto, el desarrollo de la energía renovable no puede separarse del avance de la tecnología de almacenamiento de energía.

El litio metálico tiene las ventajas de bajo potencial (-3,04 V frente al electrodo de hidrógeno estándar) y alta capacidad específica (3860 mAh / g), y es un material de ánodo muy excelente. Las primeras baterías primarias de litio utilizan litio metálico como electrodo negativo y disolvente orgánico como electrolito. Se han obtenido buenos resultados, por lo que la investigación sobre baterías recargables comenzó a centrarse en las baterías secundarias de litio metálico. Los investigadores utilizaron químicos europeos en la década de 1960 para encontrar que Li + está incrustado de manera reversible en sulfuros de metales de transición en capas. En principio, se preparó una batería secundaria de metal litio inicial utilizando un sulfuro metálico como electrodo positivo. En la década de 1980, Moli Energy de Canadá introdujo por primera vez las baterías secundarias Li / MO2 que utilizaban metal de litio como electrodo negativo. Esta batería también permitió a Moli Energy dominar el mercado mundial de baterías, pero desafortunadamente el litio ocupó el segundo lugar en 1989. Se produjo un incendio continuo y un accidente de explosión en la batería, lo que provocó una retirada a gran escala de la batería en todo el mundo. Desde entonces, la empresa que dominó brevemente el mercado mundial de baterías ha sido devastada y finalmente adquirida por NEC Corporation of Japan. NEC invirtió una gran cantidad de mano de obra y tiempo para analizar cuidadosamente decenas de miles de baterías, y finalmente encontró la cdr de litio que hizo que la batería explotara, pero no encontró una manera de resolver las dendritas de litio, por razones de seguridad. El problema no se pudo resolver y la batería de metal de litio se desvaneció lentamente de nuestra vista.

En este momento, Goodenough está estudiando el óxido metálico LiCoO2 que contiene litio en la Universidad de Oxford, Inglaterra. La capacidad teórica del material LiCoO2 es 274 mAh / g, pero no todo el Li + puede desorberse de forma reversible. Cuando Li + sale demasiado, destruirá la estabilidad de la estructura. La sexualidad, provocando el colapso de la estructura del material, Goodenough se esfuerza por lograr finalmente más de la mitad de Li reversible a partir de LiCoO2, de modo que la capacidad reversible del material LiCoO2 alcance 140mAh / go más, este resultado eventualmente condujo al nacimiento del litio- Baterías de iones. AkiraYoshino, que trabajaba en Asahi Kasei, usó LiCoO2 como electrodo positivo. Se utilizó material de grafito como electrodo negativo para desarrollar el primer modelo de batería de iones de litio. Esta tecnología fue finalmente adoptada por Sony Corporation. En 1991, se introdujo la primera batería comercial de iones de litio del mundo. La batería de iones de litio adopta material de grafito como electrodo negativo para evitar la aparición de metal litio del electrodo negativo, evitando así la formación de dendritas de litio, mejorando así en gran medida la seguridad de la batería recargable. Desde entonces, con las ventajas de la alta densidad de energía y la alta seguridad, las baterías de iones de litio se han apresurado todo el tiempo, dejando atrás rápidamente otras baterías secundarias. En poco más de una década, las baterías de iones de litio han ocupado por completo la electrónica de consumo. El mercado se ha expandido al campo de los vehículos eléctricos y ha logrado logros brillantes.

Sin embargo, el desarrollo de baterías secundarias es una carrera que nunca termina. A medida que el índice de energía específico de la batería continúa aumentando, la batería de iones de litio tradicional ya no puede satisfacer la nueva demanda. Para mejorar aún más la energía específica de la batería, Goodenough tiene más de 90 años. También se dirigió a la batería completamente sólida. La batería de estado sólido reemplaza el electrolito líquido en la batería de iones de litio tradicional con un sólido con capacidad de conducción de iones, y el electrolito sólido tiene buena resistencia, lo que hace posible el uso del electrodo negativo de metal-litio, y se va energía suficiente para que la batería de iones de litio aumente la energía específica. espacio. Después de más de diez años de desarrollo, los electrolitos sólidos también han desarrollado varios tipos, como electrolitos de óxido cerámico, electrolitos de sulfuro y electrolitos de polímero. El rendimiento también se ha mejorado considerablemente. La conductividad iónica a temperatura ambiente de algunos electrolitos de óxido cerámico ha sido comparable a la de los electrolitos líquidos, lo que hace posible la aplicación de todas las baterías de estado sólido. El laboratorio de Goodenough en la Universidad de Texas en Austin ha desarrollado ahora una batería de estado sólido que utiliza electrolitos de estado sólido que mantiene un buen rendimiento electroquímico y no produce dendritas de litio durante el ciclo a largo plazo. Goodenough cree que con la madurez gradual de la tecnología de baterías totalmente de estado sólido, los vehículos eléctricos serán empujados a reemplazar los motores de combustión interna tradicionales y reducir el consumo de energía fósil.

El anciano está gritando y apunta a mil millas. La vejez del mártir es abrumadora. Goodenough sigue luchando en la primera línea de la investigación científica a la edad de 96 años. ¿Cómo podemos relajarnos nosotros, la generación más joven? Finalmente, rendimos homenaje a Goodenough nuevamente.

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