Una nueva estrategia electrocatalítica permite la carga ultrarrápida de una batería de iones de litio
Un equipo dirigido por los profesores JI Hengxing y WU Xiaojun, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), en colaboración con el equipo del profesor DUAN Xiangfeng, de la Universidad de California en Los Ángeles, ha desarrollado una novedosa estrategia para la electrocatálisis en estado sólido en baterías de iones de litio (LIB), trascendiendo el paradigma que confinaba la electrocatálisis a las interfaces líquido-sólido y gas-sólido. Su estudio se publicó en Journal of the American Chemical Society.
En las LIB, los materiales de ánodo que utilizan reacciones de aleación para almacenar iones de Li, como el silicio y el fósforo, se utilizan ampliamente debido a su alta capacidad específica en comparación con los ánodos de grafito convencionales. Sin embargo, la lenta cinética de litiación de estos materiales limita las prestaciones de carga rápida de las LIB. Además, durante la reacción de litiación de los materiales anódicos, los reactivos y los productos se encuentran en fases sólidas, por lo que carecen de la interfaz bifásica necesaria para la electrocatálisis convencional. Por tanto, urge explorar la electrocatálisis en reacciones en estado sólido.
Para hacer frente a este reto, el equipo empleó el dopaje de heteroátomos, concretamente boro en lugar de silicio y azufre en lugar de fósforo, para acelerar las reacciones de aleación de Li en material de electrodos en estado sólido. Los cálculos teóricos y la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) revelaron que una concentración crítica de dopaje de heteroátomos (1~5 átomos %) puede proporcionar sitios altamente activos a las reacciones de aleación de los materiales anódicos, promoviendo la ruptura intrínseca de enlaces químicos. Esta ruptura de enlaces en los lugares dopados hace que los materiales del ánodo se dividan continuamente en celdas unitarias más pequeñas, creando más lugares reactivos y mejorando la dinámica de reacción.
El equipo aplicó con éxito esta estrategia para crear una batería de carga ultrarrápida formada por un ánodo de fósforo negro dopado con azufre (S/bP) acoplado a un cátodo de óxido de cobalto y litio (LCO). La batería demostró un impresionante rendimiento de recarga del 80% de su energía en 9 minutos con una densidad energética de 302 Wh kg-1, superando a las LIBs anteriormente descritas. Además, este rendimiento de carga ultrarrápida se mantuvo estable durante más de 300 ciclos.
Esta investigación hace posible la electrocatálisis en reacciones de estado sólido, lo que supone un paso crucial hacia la tecnología de baterías de alta energía y carga rápida, con un gran potencial de aplicación industrial.
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Publicación original
En Zhou, Hongchang Jin, Haifeng Lv, Yuansen Xie, Yuhao Lu, Ying-Rui Lu, Ting-Shan Chan, Chao Wang, Wensheng Yan, Jing Zhang, Hengxing Ji, Xiaojun Wu, Xiangfeng Duan; "Solid-State Electrocatalysis in Heteroatom-Doped Alloy Anode Enables Ultrafast Charge Lithium-Ion Batteries"; Journal of the American Chemical Society, Volume 146, 2024-7-17
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