Desarrollo de electrolitos no inflamables para evitar la fuga térmica en el litio

Adaptar la estructura molecular de los carbonatos orgánicos en electrolitos comerciales reduce el riesgo de incendio de las baterías. Los electrolitos no fluorados y no inflamables presentan una ruta viable para lograr baterías de alto rendimiento térmicamente estables.

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El presidente del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST), Seok-Jin Yoon, anunció que un equipo de investigación colaborativo dirigido por la Dra. Minah Lee del Centro de Investigación de Almacenamiento de Energía, el Profesor Dong-Hwa Seo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST ), y los Dres. Yong-Jin Kim y Jayeon Baek del Instituto Coreano de Tecnología Industrial (KITECH) han desarrollado un electrolito no inflamable que no se inflama a temperatura ambiente adaptando la estructura molecular del carbonato orgánico lineal para evitar el fuego y la fuga térmica en baterías de iones de litio. .

Crédito: Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología

Crédito: Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología

A medida que se expande el uso de baterías de iones de litio de mediana y gran escala en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía (ESS), aumentan las preocupaciones sobre incendios y explosiones. Los incendios en las baterías se producen cuando las baterías sufren un cortocircuito debido a impactos externos, abuso o envejecimiento, y el fenómeno de fuga térmica acompañado de reacciones exotérmicas en serie dificulta la extinción del fuego y plantea un alto riesgo de lesiones personales. En particular, el carbonato orgánico lineal utilizado en electrolitos comerciales para baterías de iones de litio tiene un punto de inflamación bajo y se inflama fácilmente incluso a temperatura ambiente, lo que es una causa directa de ignición.

Hasta ahora, para reducir la inflamabilidad del electrolito se ha adoptado ampliamente la fluoración intensiva en las moléculas de disolvente o sales altamente concentradas. Como resultado, el transporte de iones de litio en el electrolito se reducía o eran incompatibles con los electrodos comerciales, limitando su comercialización.

(Izquierda) Electrolito de una batería comercial de iones de litio (DEC) y un nuevo electrolito (BMEC) desarrollado por un equipo de investigación conjunto de KIST, KITECH y KAIST (derecha).

Al aplicar simultáneamente extensión de cadena alquílica y sustitución alcoxi a la molécula de carbonato de dietilo(DEC), un carbonato orgánico lineal típico utilizado en electrolitos de baterías de iones de litio comerciales, los investigadores desarrollaron un nuevo electrolito, carbonato de bis(2-metoxietilo(BMEC), con punto de inflamación mejorado y conductividad iónica al aumentar las interacciones intermoleculares y la capacidad de solvatación. La solución BMEC tiene un punto de inflamación de 121°C, que es 90°C más alto que el de la solución DEC convencional y, por lo tanto, no es inflamable en el rango de temperatura para el funcionamiento con batería convencional. BMEC puede disociar la sal de litio con mayor fuerza que su contraparte alquilada simple, el carbonato de dibutilo (DBC), lo que resuelve el problema del transporte más lento de iones de litio al reducir la inflamabilidad al aumentar la interacción intermolecular. Como resultado, conserva más del 92 % de la capacidad de velocidad original del electrolito convencional y, al mismo tiempo, reduce significativamente los riesgos de incendio.

Además, el nuevo electrolito alivió un 37% de la evolución de gases combustibles y un 62% de la generación de calor que los del electrolito convencional. El equipo de investigación demostró el funcionamiento estable de baterías de iones de litio de 1 Ah durante 500 ciclos combinando el nuevo electrolito con un cátodo con alto contenido de níquel y un ánodo de grafito. También realizaron una prueba de penetración de clavos en una batería de iones de litio de 4 Ah con carga del 70% y confirmaron la fuga térmica suprimida.

La Dra. Minah Lee del KIST declaró: "Los resultados de esta investigación proporcionan una nueva dirección para el diseño de electrolitos no inflamables, en los que inevitablemente se ha sacrificado la propiedad electroquímica o la viabilidad económica". “El electrolito no inflamable desarrollado tiene competitividad en costos y excelente compatibilidad con materiales de electrodos de alta densidad de energía, por lo que se espera que se aplique a la infraestructura de fabricación de baterías convencionales. En última instancia, acelerará la aparición de baterías de alto rendimiento con excelente estabilidad térmica”.

El Dr. Jayeon Baek de KITECH afirmó: “La solución BMEC desarrollada en esta investigación puede sintetizarse mediante transesterificación utilizando catalizadores de bajo costo y ampliarse fácilmente. En el futuro, desarrollaremos el método de síntesis utilizando gas C1 (CO o CO2) para mejorar aún más su respeto al medio ambiente”.

Por el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología: KIST se estableció en 1966 como el primer instituto de investigación financiado por el gobierno en Corea. KIST ahora se esfuerza por resolver desafíos nacionales y sociales y asegurar motores de crecimiento a través de investigaciones líderes e innovadoras. Para obtener más información, visite el sitio web de KIST en https://eng.kist.re.kr/

Esta investigación fue apoyada por la subvención del Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología y el Programa de Investigación a Mitad de Carrera de la Fundación Nacional de Investigación de Corea del Ministerio de Ciencia y TIC del gobierno de Corea (Ministro Jong-Ho Lee). El resultado de la investigación se publicó en el último número de Energy & Environmental Science (IF 32,5, JCR top 0,4%), una revista internacional en el campo de las ciencias energéticas y medioambientales.

Comunicado de prensa a través de Newswise

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