Los investigadores desarrollan un electrolito no inflamable para evitar la fuga térmica del litio

1 de agosto de 2023

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por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología

Un equipo de investigación colaborativo dirigido por la Dra. Minah Lee del Centro de Investigación de Almacenamiento de Energía, el Profesor Dong-Hwa Seo de 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. .

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.

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

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), resolviendo 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 el 37% de la evolución de gas combustible y el 62% de la generación de calor en comparación con el 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 investigación se publica en la revista Energy & Environmental Science.

La Dra. Minah Lee del KIST dijo: "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".

Más información: Jina Lee et al, Carbonatos orgánicos lineales de ingeniería molecular como electrolitos no inflamables prácticamente viables para baterías seguras de iones de litio, Energía y ciencias ambientales (2023). DOI: 10.1039/D3EE00157A