Se ha desarrollado una nueva batería de iones de litio que puede soportar el frío y el calor extremos. Los ingenieros de UC San Diego han desarrollado una batería de iones de litio que funciona bien tanto en frío como en calor extremos, y una nueva batería de iones de litio que puede soportar frío y calor extremos La batería se ha desarrollado con éxito.
Recientemente, ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UCSD) han desarrollado una nueva batería de iones de litio que, según afirman, funciona bien en temperaturas extremadamente frías y altas y, al mismo tiempo, almacena grandes cantidades de energía.
Según los investigadores, esta "hazaña" se logró desarrollando un nuevo tipo de electrolito. Este electrolito no solo es robusto en un amplio rango de temperaturas, sino que también es compatible con ánodos y cátodos de alta energía. Los resultados de la investigación anterior se publicaron recientemente en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).
Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UCSD y autor principal del estudio, dijo que las baterías a bordo desarrolladas con esta tecnología podrían permitir que los vehículos eléctricos viajen más lejos incluso en climas fríos. Además, reducen la demanda del sistema de refrigeración para evitar que la batería del vehículo se sobrecaliente en climas cálidos.
Chen explicó: "Las altas temperaturas son un gran desafío para las baterías de los automóviles. En los vehículos eléctricos, la batería suele estar ubicada en el chasis, más cerca de la zona caliente. Además, la batería se verá afectada por la corriente que pasa a través de ella durante el funcionamiento y el calor. Si la batería no puede soportar esta alta temperatura, el rendimiento disminuirá rápidamente". En la prueba, la capacidad de energía de la batería a -40 ℃ y 50 ℃ fue de 87,5 y 115,9 respectivamente. A estas temperaturas, también tienen altas eficiencias culombicas de 98,2 y 98,7, respectivamente, lo que significa que la batería puede pasar por más ciclos de carga y descarga antes de dejar de funcionar.
El excelente rendimiento mencionado anteriormente se atribuye al electrolito único desarrollado por Chen y sus colegas. Está elaborado a partir de una solución líquida de éter dibutílico y sal de litio. Una característica del éter dibutílico es que se une débilmente a los iones de litio. En otras palabras, cuando la batería está funcionando, las moléculas de electrolito pueden liberar fácilmente iones de litio.
En estudios anteriores, los investigadores han descubierto que esta interacción molecular débil puede mejorar el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero. Además, el éter dibutílico absorbe fácilmente el calor (el punto de ebullición es de 141°C) porque permanece líquido a altas temperaturas.
Otras ventajas
Además, otra de las particularidades de este electrolito es que es compatible con baterías de litio-azufre, que son un tipo de batería recargable. Su ánodo está hecho de litio metálico y su cátodo está hecho de azufre. Las baterías de litio-azufre tienen mayor densidad de energía y menor costo y son una parte importante de la próxima generación de tecnología de baterías.
Se entiende que las baterías de litio-azufre almacenan el doble de energía por kilogramo que las baterías de iones de litio actuales, lo que puede duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso del paquete de baterías. Además, el azufre es más abundante que el cobalto utilizado en los cátodos de las baterías de iones de litio convencionales.
Sin embargo, las baterías de litio-azufre también tienen problemas. Tanto el cátodo como el ánodo son superactivos. El cátodo de azufre es muy reactivo y se disolverá durante el funcionamiento de la batería; este problema se agrava a altas temperaturas. Los electrodos negativos de metal de litio son propensos al crecimiento de dendritas, lo que puede provocar cortocircuitos en la batería e incluso riesgo de incendio. Por lo tanto, las baterías de litio-azufre sólo se pueden reciclar decenas de veces como máximo.
"Si desea una batería de alta densidad de energía, normalmente necesita utilizar productos químicos muy duros y complejos", dijo Chen. "Alta energía significa más reacciones, lo que significa menos estabilidad y más degradación. Fabricar baterías estables de alta energía es una tarea difícil en sí misma, intentar hacerlo en un rango de temperaturas más amplio es más desafiante".
El dibutilo El electrolito de éter desarrollado por el equipo de investigación de la UCSD puede prevenir estos problemas. Incluso a temperaturas extremas, las celdas que probaron tenían ciclos de vida más largos que las típicas baterías de litio-azufre. "Nuestro electrolito ayuda a mejorar tanto el lado del cátodo como el del ánodo, al mismo tiempo que proporciona alta conductividad y estabilidad", dijo Chen.
Se ha desarrollado una nueva batería de iones de litio que puede soportar el frío y el calor extremos.
Los ingenieros de UC San Diego han desarrollado una batería de iones de litio que funciona bien en condiciones de frío y calor extremos y también puede almacenar grandes cantidades de electricidad. La batería de alta temperatura se describe en un artículo publicado esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences.
La batería podría permitir que los vehículos eléctricos en climas fríos viajen más lejos con una sola carga; también podría reducir la necesidad de un sistema de enfriamiento para evitar que la batería de un vehículo se sobrecaliente en climas cálidos.
Los investigadores probaron las baterías en temperaturas bajo cero. Crédito de la imagen: David Baillot/Universidad de California, San Diego
En las pruebas, la batería de prueba de concepto retuvo 87,5 y 115,9 de su capacidad de energía eléctrica a -40 °C y 50 °C, respectivamente. A estas temperaturas, también tienen altas eficiencias culombicas de 98,2 y 98,7, respectivamente, lo que significa que la batería puede pasar por más ciclos de carga y descarga antes de dejar de funcionar.
Los investigadores han desarrollado un electrolito mejor, resistente al frío y al calor y compatible con ánodos y cátodos de alta energía. El electrolito se elabora a partir de una solución de éter dibutílico y sal de litio. Una característica del éter dibutílico es que se une débilmente a los iones de litio. Cuando la batería está funcionando, las moléculas de electrolito liberan fácilmente iones de litio.
Otra característica especial de este electrolito es que es compatible con baterías de litio-azufre. Las baterías de litio-azufre son una parte importante de la próxima generación de tecnología de baterías, ya que prometen una mayor densidad de energía y un menor costo. El cátodo y el ánodo de las baterías de litio-azufre son muy reactivos. A altas temperaturas, los ánodos de metal de litio tienden a formar estructuras en forma de agujas llamadas dendritas, que pueden perforar ciertas partes de la batería y provocar un cortocircuito. Como resultado, las baterías de litio-azufre sólo pueden durar unas pocas docenas de ciclos.
El electrolito de éter dibutílico previene estos problemas, incluso a altas y bajas temperaturas. Las baterías que probaron tenían ciclos de vida más largos que las baterías típicas de litio-azufre. El equipo también diseñó un cátodo de azufre más estable injertándolo en un polímero. Esto evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
El equipo dijo que el próximo trabajo de investigación incluirá ampliar la composición química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas más altas y extender aún más el ciclo de vida.
Se ha desarrollado un nuevo tipo de batería de iones de litio que puede soportar frío y calor extremos. 3 Un nuevo tipo de batería de iones de litio puede funcionar tanto a una temperatura baja de -40 °C como a una temperatura alta de 50 °C. El electrodo negativo de esta nueva batería está hecho de azufre y la batería puede almacenar más energía. Este es un nuevo estudio de la Universidad de California, San Diego.
La batería podría aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en temperaturas frías. Además, se pueden utilizar en satélites, naves espaciales, drones de gran altitud y submarinos. "Al ampliar enormemente la ventana operativa de las baterías de litio, podemos proporcionar una electroquímica más poderosa para aplicaciones más allá de los vehículos eléctricos", dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego.
Actualmente, la combinación de ánodo de grafito y cátodo de óxido metálico de litio de la batería no soporta bien las temperaturas extremas. Las altas temperaturas agravarán el entorno químico ya altamente activo dentro de la batería, provocando reacciones secundarias que descomponen el electrolito y otros materiales de la batería, provocando daños irreversibles. Al mismo tiempo, las bajas temperaturas hacen que el electrolito líquido se espese, por lo que los iones de litio se mueven lentamente en él, provocando pérdida de energía y una carga lenta.
Mantener la batería caliente o calentarla desde el interior puede ayudar a solucionar los problemas de baja temperatura. Los investigadores han diseñado previamente electrolitos para ampliar el rango de temperatura de la batería, pero esto puede mejorar el rendimiento a temperaturas bajas o altas, pero no a ambas.
La investigación "Criterios de selección de disolventes para baterías de litio y azufre resistentes a la temperatura" realizada por el equipo del profesor Chen Zheng se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) el 5 de julio. Dicen que en el corazón de la nueva batería resistente a temperaturas extremas está la búsqueda de un nuevo electrolito.
Crearon el electrolito disolviendo una sal de litio en un disolvente de éter dibutílico.
A diferencia de los disolventes de carbonato de etileno existentes que se utilizan en las baterías, el nuevo material no se congelará ni se evaporará fácilmente a temperaturas de -100°C. Además, sus moléculas de disolvente tienen una fuerza de unión débil a los iones de litio, por lo que no contiene iones de litio. Muévete más libremente, incluso en temperaturas bajo cero.
El equipo de la UCSD resolvió el problema de la degradación del cátodo de azufre uniendo azufre a un sustrato plástico. Al mismo tiempo, el nuevo electrolito permite el transporte uniforme de los iones de litio, por lo que no tienen posibilidad de pegarse y formar dendritas.
En las pruebas en equipo, la batería prototipo duró 200 ciclos y todavía tenía una capacidad original de más del 87 % a -40 °C. A 50 °C, la capacidad de la batería aumentó en un 65.438,05 %. El profesor Chen Zheng dijo que las temperaturas más altas aumentan la transferencia de carga y la difusión de iones de litio a través del electrolito hasta los electrodos, superando los límites de capacidad y energía de las baterías.
Cai, el primer autor del estudio e investigador postdoctoral en nanoingeniería en UC San Diego, preparó una celda de bolsa para realizar pruebas a temperaturas bajo cero.
Otra de las particularidades de este electrolito es que es compatible con baterías de litio-azufre, un tipo de batería recargable. Su ánodo está hecho de litio metálico y su cátodo está hecho de azufre. Las baterías de litio-azufre tienen mayor densidad de energía y menor costo y son una parte importante de la próxima generación de tecnología de baterías.
Almacenan el doble de energía por kilogramo que las baterías de iones de litio actuales, lo que duplica la autonomía de un coche eléctrico sin aumentar el peso de la batería. Además, el azufre es más abundante y menos problemático que el cobalto utilizado en los cátodos de las baterías de iones de litio tradicionales.
Sin embargo, las baterías de litio-azufre tienen otros problemas: sus cátodos y ánodos son demasiado activos. El cátodo de azufre es muy reactivo y se disuelve durante el funcionamiento de la batería. Este problema empeora con las altas temperaturas. Los ánodos de metal de litio tienden a formar estructuras en forma de agujas llamadas dendritas, que pueden perforar ciertas partes de la batería y provocar un cortocircuito. Por tanto, las baterías de litio-azufre sólo pueden durar decenas de ciclos.
"Si quieres una batería de alta densidad de energía, normalmente necesitas utilizar químicas muy precisas y complejas", dijo Chen Zheng. "Una energía alta significa que se producen más reacciones, lo que significa menos estabilidad y más degradación. Hacer una batería estable de alta energía es una tarea difícil en sí misma; intentar hacerlo en un amplio rango de temperaturas es un poco más desafiante".
El electrolito de éter dibutílico desarrollado por el equipo de investigación de la UCSD previene estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas. Las baterías que probaron tenían ciclos de vida más largos que las baterías típicas de litio-azufre. "Nuestro electrolito ayuda a mejorar los lados del cátodo y del ánodo, al tiempo que proporciona una alta conductividad y estabilidad interfacial", afirmó Chen Zheng.
El equipo también diseñó un cátodo de azufre más estable injertando el cátodo de azufre en un polímero. Esto evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
Los próximos pasos incluyen ampliar la química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas más altas y extender aún más el ciclo de vida.
dijo Chen Zheng, profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego.
Un aumento de capacidad no es necesariamente algo bueno, ya que también puede sobrecargar la batería. Para resolver este problema, los investigadores deben mejorar aún más la química de la batería para que pueda soportar más ciclos de carga. También planean aumentar la densidad de energía mediante más ingeniería celular. Actualmente, las nuevas baterías son sólo un poco más densas que las baterías de iones de litio actuales y no están muy lejos de la promesa teórica del litio-azufre. "Podemos aumentar la densidad de energía en al menos 50", dijo Chen Zheng. "Esto es esperanza, esto es promesa."