La tecnología de semiconductores mitiga el riesgo de incendio en las baterías de los vehículos eléctricos
La convergencia de la física de los semiconductores y la electroquímica conduce a la inhibición eficaz de la formación de dendritas mediante capas de pasivación semiconductoras
A pesar del rápido desarrollo de los vehículos eléctricos (VE), la seguridad de las baterías de iones de litio (Li-ion) sigue siendo motivo de preocupación, ya que suponen un riesgo de incendio y explosión. Entre los diversos enfoques para abordar este problema, los investigadores coreanos han utilizado la tecnología de semiconductores para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio. Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST) dirigido por el Dr. Joong Kee Lee, del Centro de Investigación de Almacenamiento de Energía, ha conseguido inhibir el crecimiento de dendritas, cristales con múltiples ramificaciones que causan incendios en las baterías de los vehículos eléctricos, mediante la formación de capas semiconductoras de pasivación protectoras en la superficie de los electrodos de Li.
Imágenes SEM de vista superior y fotografías (recuadro) de electrodos de Li simple y Li@p-PCL después de las pruebas de ciclos con células simétricas de Li|Li a 1,0 mA cm-2 y 1,0 mAh cm-2
Korea Institute of Science and Technology (KIST)
Cuando las baterías de iones de litio se cargan, los iones de litio son transportados al ánodo (el electrodo negativo) y se depositan en la superficie como metal de litio; en este punto, se forman dendritas en forma de árbol. Estas dendritas de Li son las responsables de las incontrolables fluctuaciones volumétricas y provocan reacciones entre el electrodo sólido y el electrolito líquido, lo que provoca un incendio. Como es lógico, esto degrada gravemente el rendimiento de la batería.
Para evitar la formación de dendritas, el equipo de investigación expuso al plasma el fullereno (C60), un material semiconductor altamente conductor de la electrónica, lo que dio lugar a la formación de capas carbonosas semiconductoras de pasivación entre el electrodo de Li y el electrolito. Las capas carbonosas semiconductoras de pasivación permiten el paso de los iones de Li mientras bloquean los electrones debido a la generación de la barrera de Schottky, y al impedir que los electrones y los iones interactúen en la superficie del electrodo y en su interior, impiden la formación de cristales de Li y el consiguiente crecimiento de dendritas.
La estabilidad de los electrodos con las capas carbonosas de pasivación semiconductora se probó utilizando células simétricas de Li/Li en entornos electroquímicos extremos en los que los electrodos de Li típicos permanecen estables hasta 20 ciclos de carga/descarga. Los electrodos recién desarrollados mostraron una estabilidad significativamente mejorada, suprimiendo el crecimiento de dendritas de Li durante hasta 1.200 ciclos. Además, utilizando un cátodo de óxido de cobalto de litio (LiCoO2) además del electrodo desarrollado, se mantuvo aproximadamente el 81% de la capacidad inicial de la batería después de 500 ciclos, lo que representa una mejora de aproximadamente el 60% respecto a los electrodos de Li convencionales.
El investigador principal, el Dr. Joong Kee Lee, declaró: "La supresión eficaz del crecimiento de dendritas en los electrodos de Li es fundamental para mejorar la seguridad de las baterías. La tecnología para el desarrollo de electrodos metálicos de litio altamente seguros que se propone en este estudio proporciona un modelo para el desarrollo de baterías de próxima generación que no supongan un riesgo de incendio". Como explica el Dr. Lee, el siguiente objetivo de su equipo es mejorar la viabilidad comercial de esta tecnología: "Pretendemos que la fabricación de las capas carbonosas semiconductoras de pasivación sea más rentable, sustituyendo el fullereno por materiales menos costosos."
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