Investigadores de POSTECH y la Universidad de Sogang desarrollaron un aglutinante polimérico funcional para materiales anódicos estables de alta capacidad, que ofrece 10 veces la capacidad de los ánodos de grafito convencionales. Este avance podría aumentar significativamente la densidad de energía de la batería de iones de litio y potencialmente extender el rango de manejo del vehículo eléctrico al menos diez veces.
El equipo de investigación conjunto de POSTECH y la Universidad de Sogang desarrolla un material de ánodo estable de alta capacidad basado en polímeros y cargado en capas.
El mercado de vehículos eléctricos ha experimentado un crecimiento explosivo, con ventas globales que superan el billón de dólares (aproximadamente 1283 billones de won coreanos/KRW) en 2022 y ventas nacionales que superan las 108 000 unidades. Inevitablemente, crece la demanda de baterías de alta capacidad que puedan ampliar la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos. Recientemente, un equipo conjunto de investigadores de POSTECH y la Universidad de Sogang desarrolló un aglutinante polimérico funcional para material de ánodo estable y de alta capacidad que podría aumentar el rango EV actual al menos 10 veces.
Un equipo de investigación dirigido por los profesores de POSTECH Soojin Park (Departamento de Química) y Youn Soo Kim (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales) y el profesor Jaegeon Ryu (Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular) de la Universidad de Sogang desarrollaron un aglutinante polimérico cargado para una alta capacidad Material de ánodo estable y confiable, que ofrece una capacidad 10 veces o más que la de los ánodos de grafito convencionales. Este avance se logró al reemplazar el grafito con ánodo de Si combinado con polímeros cargados en capas mientras se mantiene la estabilidad y la confiabilidad. Los resultados de la investigación se publicaron como artículo de portada en Advanced Functional Materials.
Los materiales de ánodo de alta capacidad, como el silicio, son esenciales para crear baterías de iones de litio de alta densidad de energía; pueden ofrecer al menos 10 veces la capacidad del grafito u otros materiales de ánodo disponibles en la actualidad. El desafío aquí es que la expansión del volumen de los materiales del ánodo de alta capacidad durante la reacción con el litio representa una amenaza para el rendimiento y la estabilidad de la batería. Para mitigar este problema, los investigadores han estado investigando aglutinantes de polímeros que pueden controlar de manera efectiva la expansión volumétrica.
Sin embargo, la investigación hasta la fecha se ha centrado únicamente en la reticulación química y los enlaces de hidrógeno. El entrecruzamiento químico implica la unión covalente entre moléculas aglutinantes, haciéndolas sólidas, pero tiene un defecto fatal: una vez que se rompen, los enlaces no se pueden restaurar. Por otro lado, el enlace de hidrógeno es un enlace secundario reversible entre moléculas basado en diferencias de electronegatividad, pero su fuerza (10-65 kJ/mol) es relativamente débil.
El nuevo polímero desarrollado por el equipo de investigación no solo utiliza enlaces de hidrógeno, sino que también aprovecha las fuerzas de Coulombic (atracción entre cargas positivas y negativas). Estas fuerzas tienen una fuerza de 250 kJ/mol, mucho mayor que la del enlace de hidrógeno, pero son reversibles, lo que facilita el control de la expansión volumétrica. La superficie de los materiales del ánodo de alta capacidad está mayormente cargada negativamente, y los polímeros cargados en capas se disponen alternativamente con cargas positivas y negativas para unirse de manera efectiva con el ánodo. Además, el equipo introdujo polietilenglicol para regular las propiedades físicas y facilitar la difusión de iones de litio, lo que dio como resultado el electrodo grueso de alta capacidad y la máxima densidad de energía que se encuentran en las baterías de iones de litio.
El profesor Soojin Park explicó: “La investigación tiene el potencial de aumentar significativamente la densidad de energía de las baterías de iones de litio mediante la incorporación de materiales de ánodo de alta capacidad, lo que amplía la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos. Los materiales de ánodo a base de silicio podrían aumentar potencialmente el rango de conducción al menos diez veces”.
Referencia: “Polímeros cargados en capas permiten ánodos de batería de alta capacidad altamente integrados” por Dong-Yeob Han, Im Kyung Han, Hye Bin Son, Youn Soo Kim, Jaegeon Ryu y Soojin Park, 3 de febrero de 2023, Materiales funcionales avanzados .