Nuevo marco metal-orgánico redox-activo como material anódico para baterías de Li que funcionan en condiciones de congelación
Ha conseguido una capacidad de descarga cinco veces superior a la del material de ánodo de grafito, incluso en entornos con temperaturas tan bajas como 20 grados Celsius bajo cero
El Instituto Coreano de Investigación Energética (KIER) ha desarrollado un material de electrodo híbrido metal-orgánico redox-activo (SKIER-5) para baterías de litio que permanece estable en condiciones de frío de hasta 20 grados bajo cero. Al abordar las limitaciones del grafito como material anódico de las baterías de Li convencionales en condiciones de congelación, SKIER-5 tiene el potencial de ser una alternativa superior. Este novedoso material puede utilizarse en baterías de Li para diversas aplicaciones, como vehículos eléctricos, drones y dispositivos electrónicos ultrapequeños, incluso a bajas temperaturas.
SKIER-5 desarrollado mediante la reacción de oxidación de triantreno e iones de níquel (de izquierda a derecha triantreno, níquel, SKIER-5)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
Foto de grupo del equipo de investigación (de izquierda a derecha Dr. Kanghoon Yim, Dr. Jungjoon Yoo, Dr. Hyunuk Kim)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
En la actualidad, el grafito es el material convencional utilizado para los ánodos de las baterías de iones de litio debido a su estabilidad termodinámica y su bajo coste. Sin embargo, las baterías con ánodos de grafito presentan importantes inconvenientes: su capacidad de almacenamiento disminuye drásticamente a temperaturas bajo cero y pueden formarse dendritas en la superficie del ánodo durante la carga. Esto puede provocar fugas térmicas y posibles explosiones.
Un equipo de investigación de KIER dirigido por los doctores Jungjoon Yoo, Kanghoon Yim y Hyunuk Kim ha desarrollado una estructura metalorgánica conductora redox-activa llamada "SKIER-5". Esta estructura está formada por un ligando orgánico a base de triantreno e iones de níquel. SKIER-5 mostró una capacidad de descarga cinco veces superior a la del grafeno en ambientes bajo cero.
El ánodo SKIER-5 alcanzó una capacidad de descarga de 440 mAh/g, superando los 375 mAh/g de un electrodo de grafito a temperatura ambiente. Cabe destacar que, tras 1.600 ciclos de carga y descarga, la capacidad aumentó aproximadamente 1,5 veces (600 mAh/g). Se trata de un resultado excepcional, ya que la capacidad de descarga suele disminuir con ciclos repetidos de carga-descarga.
El equipo de investigación confirmó el mecanismo redox de SKIER-5 mediante análisis de rayos X de alto flujo en el Laboratorio del Acelerador de Pohang. A diferencia del grafeno, SKIER-5, que incluye iones de níquel y ligandos orgánicos basados en heteroátomos (N, F, S), interactúa con iones de Li para desencadenar reacciones redox que implican transferencia de electrones. Este proceso permite aumentar el almacenamiento de electrones, lo que se traduce en una mayor capacidad de descarga.
En concreto, SKIER-5 alcanzó una capacidad de descarga de 150 mAh/g, cinco veces superior a la del grafeno a menos 20 grados Celsius. Este mayor rendimiento se atribuye a que el umbral mínimo de energía de SKIER-5 para iniciar reacciones químicas es menor que el del grafito. En consecuencia, SKIER-5 mantiene un rendimiento estable en entornos de baja temperatura en los que la velocidad de reacción suele disminuir.
*Energía de activación (eV): La energía mínima necesaria para iniciar una reacción química, [SKIER-5 (0,23 eV) < Grafito (0,6 eV)].
El principio de funcionamiento de SKIER-5 se validó mediante cálculos de primeros principios basados en la química cuántica. El equipo de investigación determinó primero la estructura cristalina de SKIER-5, que era coherente con el análisis estructural de rayos X, y predijo los sitios de adsorción de litio para predecir la capacidad teórica del material y el voltaje de reacción mediante cálculos. Los valores predichos coincidían estrechamente con los resultados experimentales, lo que confirmaba el origen del excelente rendimiento de SKIER-5 como ánodo de baterías de Li.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Yogendra Kumar, Tae Hyeong Kim, Iyan Subiyanto, Winda Devina, Segi Byun, Subhajit Nandy, Keun Hwa Chae, Suim Lim, Bumjin Kim, Sanghui Kang, Seong Ok Han, Kanghoon Yim, Jungjoon Yoo, Hyunuk Kim; "Redox-active conductive metal–organic framework with high lithium capacities at low temperatures"; Journal of Materials Chemistry A, 2024
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