Los materiales del ánodo son cruciales para las baterías de iones de litio y afectan directamente su rendimiento. El grafito, el ánodo a base de carbono más utilizado, presenta baja capacidad y baja estabilidad. Su seguridad y rendimiento son difíciles de mejorar.
El objetivo de la investigación es encontrar nuevos materiales a base de carbono que puedan sustituir a los ánodos comerciales.
Entre los materiales de carbono, carbono poroso Tiene una gran área superficial y una morfología controlable. Su rica estructura porosa y buena conductividad mejoran la estabilidad y reducen los costos de síntesis. El carbono poroso se utiliza ampliamente en el almacenamiento de energía y la catálisis. Su potencial en baterías de litio es considerable; profundicemos en su análisis.
Ventajas de los materiales de carbono poroso para las baterías de litio
Las baterías de iones de litio utilizan iones de litio como medio de transmisión de energía, y los electrodos son mecanismos electroquímicos de almacenamiento de litio integrados. Durante la carga, se generan iones de litio en el electrodo positivo de la batería. Estos iones se desintercalan del electrodo positivo y se desplazan hacia el electrodo negativo a través del electrolito. El material de carbono, que actúa como electrodo negativo, presenta una estructura en capas y numerosos microporos. Los iones de litio que llegan al electrodo negativo se incrustan en los microporos del material de carbono.
Cuantos más iones de litio se integren, mayor será la capacidad de carga. En este caso, el electrodo negativo es rico en litio y el positivo, pobre en litio. Simultáneamente, la carga de compensación de electrones se suministra al electrodo negativo de carbono desde el circuito externo, asegurando así el equilibrio de carga del electrodo negativo. Durante la descarga, los iones de litio salen del ánodo y se reintroducen en el cátodo a través del electrolito.
Como ánodo de batería de iones de litio, la gran superficie del carbono poroso une más iones de litio para una mayor capacidad. Su compleja estructura porosa proporciona vías de difusión eficientes y acorta la distancia de difusión de los iones de litio. Defectos como las vacantes y el dopaje de heteroátomos sirven como sitios de almacenamiento de litio. Durante la inserción/extracción del litio, la tensión mecánica causada por los cambios de volumen es mínima, lo que garantiza una buena estabilidad del ciclo. Por lo tanto, el carbono poroso suele presentar un mejor rendimiento electroquímico que el grafito tradicional.
¿Cuál es el tamaño de poro óptimo para el carbón poroso?
El carbono poroso se puede dividir en tres tipos según el tamaño de poro: carbono microporoso (tamaño de poro menor a 2 nm), carbono mesoporoso (tamaño de poro entre 2~50 nm) y carbono macroporoso (tamaño de poro mayor a 50 nm).
Carbono microporoso
El carbono microporoso posee una alta superficie específica y exhibe una alta capacidad específica como material de electrodo. Los investigadores prepararon carbono microporoso de alta superficie mediante un método de plantillas.
Como ánodo de batería de iones de litio, mostró una gran capacidad irreversible (2547 mA·h/g). Esto se debe a que su elevada superficie aumenta el área de formación de SEI.
Además, proporciona más sitios de unión para grupos funcionales que contienen oxígeno e hidrógeno. Estos grupos funcionales experimentan reacciones irreversibles con iones de litio, lo que resulta en una alta capacidad irreversible. Se observa una pérdida significativa de capacidad en los ciclos iniciales. Por lo tanto, el carbono microporoso de estructura única no es un material ideal para ánodos de baterías de iones de litio.
Carbono mesoporoso
El carbono mesoporoso también se puede utilizar como material para el ánodo de baterías de iones de litio.
Utilizando sílice ordenada como plantilla, se puede sintetizar carbono mesoporoso ordenado (CMK-3). Presenta una alta capacidad reversible y un excelente rendimiento en ciclos de carga y descarga. Tras el primer ciclo, la capacidad de carga y descarga se mantiene estable. Esto se debe a que la estructura porosa ordenada minimiza la resistencia al transporte de iones, lo que resulta en una excelente estabilidad en los ciclos.
Carbono macroporoso
El carbono macroporoso ordenado preparado mediante el método de plantilla también se puede utilizar como material de ánodo de batería de iones de litio.
Utilizando ópalos de sílice inversos como plantilla, se puede sintetizar carbono macroporoso ordenado con una estructura de poros interconectados en 3D y paredes de poros grafitizados mediante el método de deposición química de vapor (CVD) utilizando benceno.
Como ánodo de batería de iones de litio, mantiene una capacidad de 320 mA·h/g después de 60 ciclos a 200 mA/g, con una tasa de retención de capacidad de 98%.
Utilizando polimetilmetacrilato (PMMA) como plantilla, se puede sintetizar un material macroporoso ordenado en 3D mediante el método sol-gel de resorcinol-formaldehído.
Como material de ánodo, alcanza una capacidad de 260 mA·h/g a 1000 mA/g, con una retención de capacidad 83% después de 30 ciclos.
Poroso graduado
Sin embargo, los materiales de carbono porosos con estructura de poro único inevitablemente tienen algunos inconvenientes.
Para mejorar su rendimiento, el carbono poroso jerárquico, que integra poros interconectados de diferentes tamaños en una estructura graduada, se ha convertido en un foco de investigación. Las ventajas combinadas son las siguientes:
- Los microporos proporcionan una gran superficie específica, mejorando la capacidad de almacenamiento de carga y aumentando la capacidad de la batería de iones de litio.
- Los mesoporos crean canales de transporte rápidos para los iones electrolíticos, mejorando la infiltración de electrolitos.
- Los macroporos acortan las distancias de difusión de iones, lo que facilita el transporte de iones y garantiza una alta capacidad de retención en condiciones de alta corriente.
Por ejemplo:
Mediante el simple calentamiento de carbonato de litio e hidruro de litio, se sintetizó carbono poroso jerárquico tipo esponja (Sponge-like HPC) con una superficie específica ultra alta (1049 m²/g) de manera respetuosa con el medio ambiente y eficiente, como se muestra en la figura.
Cuando se utiliza como material de ánodo para baterías de iones de litio, el HPC tipo esponja presenta:
Capacidad reversible ultra alta (1750 mA·h/g a 0,2 A/g), estabilidad de ciclo excepcional (retención de capacidad de ≈100% después de 2000 ciclos), rendimiento de velocidad excepcional.
El carbono poroso jerárquico también puede modificarse mediante dopaje con heteroátomos, donde algunos átomos de carbono de la estructura porosa se sustituyen por otros. Al aprovechar la diferencia de electronegatividad entre el carbono y los átomos extraños, esta modificación ajusta la distribución de carga y la formación de defectos dentro del carbono poroso, mejorando así sus propiedades fisicoquímicas.
El carbono poroso tiene aplicaciones potenciales
En una investigación, los científicos desarrollaron una membrana de carbono porosa añadiendo Fe₃C para formar poros en forma de panal y digitiformes. Esta membrana de carbono porosa alcanza una alta superficie específica. Puede servir directamente como material activo y colector de corriente. Sus amplios poros proporcionan suficiente espacio interno para soportar los cambios de volumen durante la carga/descarga. La membrana de carbono porosa asimétrica ofrece un transporte de electrones a alta velocidad y promueve la difusión del electrolito y de iones de litio.
Aunque el carbono poroso puede no ser comparable con materiales como los nanotubos de carbono o el grafeno en cuanto a flexibilidad y propiedades mecánicas, es una opción ideal para cargas de masa de electrodos elevados.
Investigaciones futuras podrían explorar la combinación de carbono poroso con grafeno o nanotubos de carbono. Esto podría producir colectores de corriente de baterías de iones de litio flexibles y superiores para dispositivos portátiles.
Conclusión
Los científicos creen que el carbono poroso tiene un gran potencial para su uso generalizado en electrodos autoportantes y colectores de corriente. Esto se debe a que el desarrollo de las baterías de iones de litio de próxima generación se centrará en una mayor capacidad, una mayor vida útil, un mayor respeto al medio ambiente y un menor coste. Esto requerirá que los colectores de corriente tengan un rendimiento electroquímico más estable, mejor conductividad, menor peso y un menor coste. Además, los futuros dispositivos portátiles requerirán colectores de corriente con estructuras flexibles. Por lo tanto, en comparación con los colectores de corriente metálicos, los colectores de corriente de nanocarbono ofrecen un futuro mucho más amplio.
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