​Supresión asistida por mecanismo retardante de llama dual de fuga térmica en baterías de metal de litio con rendimiento electroquímico mejorado

Supresión asistida por mecanismo retardante de llama dual de fuga térmica en baterías de metal de litio con rendimiento electroquímico mejorado

Aunque las baterías de metal litio (LMB) se han investigado exhaustivamente, su adopción como fuente de energía para vehículos de transporte sigue siendo un desafío desde la perspectiva de la seguridad y la durabilidad.

Por lo tanto, para mejorar la seguridad y el rendimiento electroquímico de las baterías de metal litio, un equipo formado por Ki Jae Kim del Departamento de Ciencias Energéticas de la Universidad Sungkyunkwan, Hyun-seung Kim del Centro de Investigación Avanzada de Baterías del Instituto de Tecnología Electrónica de Corea y Jang Wook Choi de la Escuela de Ingeniería Química y Biológica y el Instituto de Investigación de Procesos Químicos de la Universidad Nacional de Seúl, diseñaron un separador de precisión compuesto de decabromodifeniletano (DBDPE) y nanocompuesto de CaO. Este diseño imparte simultáneamente propiedades retardantes de llama y mejora el rendimiento del transporte de iones de litio. Durante el funcionamiento normal, las partículas de CaO recubiertas mejoran el transporte de iones de litio y mejoran el rendimiento cíclico de los LMB debido a una mayor eficiencia del ciclado del metal litio, sin provocar reacciones secundarias. Por el contrario, en condiciones anormales, particularmente a altas temperaturas, el CaO y el DBDPE recubiertos sufren una reacción química que actúa como agente extintor de incendios dentro del LMB. El DBDPE exhibe características retardantes de llama en fase gaseosa, generando HBr a altas temperaturas, que posteriormente reacciona con nanocristales de CaO para formar CaBr₂, que posee propiedades retardantes de llama en fase líquida. En consecuencia, se observan características retardantes de llama tanto en fase líquida como en fase gaseosa en el separador de polietileno recubierto con DBDPE-CaO (DCPE) dentro de los LMB tipo bolsa. La formación in situ de materiales a base de halógenos en el LMB se atribuye a una estrategia retardante de llama basada en un mecanismo químico espontáneo. Por lo tanto, la funcionalidad única del separador DCPE mejora tanto el rendimiento electroquímico como la seguridad de los LMB. Este trabajo, titulado 'Supresión de fuga térmica asistida por mecanismo retardante de llama dual en baterías de metal de litio con rendimiento electroquímico mejorado', se publicó en Advanced Energy Materials. El primer autor es Jin Hyeok Yang.

Figura 1. Diagramas esquemáticos que ilustran el mecanismo de mejora del separador de polietileno recubierto de decabromodifeniletano y óxido de calcio (DCPE) en comparación con un separador de polietileno en a) condiciones de funcionamiento normales yb) anormales.

Figura 2. a) Imagen SEM del nanocompuesto DBDPE-CaO sintetizado, b) Mapeo EDS de Br y Ca, c) Imagen TEM de las partículas sintetizadas, d) FFT de una región amorfa y la imagen TEM correspondiente, e) Imagen HR-TEM y f) Patrón SAED de una partícula cristalina.

Figura 3. a) Resistencia a la tracción de PE y DCPE, b) Contracción térmica, c) Conductividad iónica (recuadro: prueba de remojo), d) Energía de unión calculada del anión hexafluorofosfato al grupo CaO, e) Número de transferencia, f) Espectros Raman obtenidos de PE y DCPE, respectivamente.

Figura 4. a) Rendimiento cíclico a una densidad de corriente y capacidad de área de 1 mA cm⁻², b) Capacidad de velocidad de celdas simétricas de Li a una capacidad de área de 2 mA h cm⁻². Imágenes SEM de electrodos de Li de celdas desensambladas: c) Imágenes SEM de superficie y d) transversales de metal litio después del 1.er y 15.° ciclo usando PE o DCPE, e) señales 3D ToF-SIMS de componentes SEI depositados en electrodos de Li después del 15.° ciclo usando PE y DCPE.

Figura 5. a) Perfiles de voltaje de deposición inicial de litio, b) Eficiencia coulómbica de celdas de Cu/Li, c) Capacidad de ciclo de baterías Li/NCM811 que utilizan PE y DCPE.

Figura 6. Análisis STA-MS de DBDPE y DCPE: a) curva TG-DTA de DBDPE y bd) espectros de masas, e) curva TG-DTA de DCPE y fh) espectros de masas.

Figura 7. a) Esquema del mecanismo retardante de llama en fase condensada de CaBr₂, b) Esquema del mecanismo retardante de llama en fase gaseosa de HBr, c) Esquema de una batería de metal de litio que utiliza un separador de PE recubierto de DCPE en estado normal y durante el descontrol térmico. d) Resultados de las pruebas de retardo de llama para electrolito sin DBDPE, con DBDPE y con DBDPE-CaO, y e) Resultados de las pruebas de retardación de llama para PE empapado en electrolito, PE recubierto de DBDPE y DCPE.

Conclusión
Los aditivos retardantes de llama existentes para LMB exhiben un equilibrio distintivo entre retardo de llama y rendimiento electroquímico. Sin embargo, en este estudio, la aplicación del nanocompuesto DBDPE-CaO a un separador de polietileno mediante un proceso de recubrimiento simple mejoró tanto el retardo de llama como el rendimiento electroquímico. Los resultados de desempeño de seguridad indican que HBr(g) y CaBr₂(s) generados por DCPE a altas temperaturas exhiben excelentes propiedades de extinción. El nanocompuesto DBDPE-CaO sintetizado intencionalmente suprimió eficazmente los incendios de baterías generando retardantes de llama tanto de fase condensada (CR) como gaseosos (FR). El bromo liberado del DBDPE es inmediatamente capturado por CaO, formando CaBr₂, que posteriormente contribuye a la formación de HBr. Por lo tanto, la acción CR y FR simultánea se logra a través del DCPE. El FR desarrollado utilizando este método mejora significativamente el rendimiento de seguridad incluso en condiciones prácticas de abuso de la batería. Los resultados de las pruebas de la cámara térmica muestran que durante la fuga térmica, el aumento de temperatura fue menos de la mitad y su inicio se retrasó varios minutos en comparación con los separadores de PE convencionales. Esto proporciona al sistema de gestión de baterías tiempo adicional suficiente para detectar la aparición de fuga térmica e implementar medidas de seguridad para evitar daños consiguientes. Además, esta tecnología se puede combinar con varios componentes de la batería (como electrodos seleccionados, electrolitos sólidos y electrolitos poliméricos) mediante un método sencillo y directo. Esta estrategia puede mejorar el rendimiento del separador en sistemas de alta densidad de energía, ofreciendo así una nueva vía para mejorar las características de seguridad de los LMB.