Investigadores coreanos consiguen que las baterías de estado sólido tengan un mayor rendimiento y sean más seguras

Un equipo de investigación liderado por Yoonseob Kim, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), ha reportado un avance significativo en la tecnología de baterías de litio metálico (LMB). El equipo ha sintetizado con éxito una novedosa estructura orgánica covalente de borato tridimensional monocristalina (B-COF), que demuestra un rendimiento excepcional como electrolito de estado sólido, mejorando así el rendimiento de las baterías de litio de estado sólido.

Este avance promete soluciones más seguras y con mayor densidad energética para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a gran escala. El artículo de investigación, titulado Estructuras orgánicas covalentes de borato monocristalinas para baterías de litio metálico de estado sólido, ha sido publicado en la prestigiosa revista Advanced Science.

Riesgos de seguridad

Las baterías de litio-metal tradicionales se enfrentan a riesgos de seguridad derivados de la formación de dendritas de litio y la rápida degradación causada por la inestabilidad de las interfaces del electrolito. Si bien los marcos orgánicos covalentes (COF) son materiales de electrolito prometedores debido a su estructura porosa y estabilidad, la mayoría de los COF existentes son policristalinos, lo que genera una resistencia significativa entre partículas y limita su rendimiento.

Para abordar este problema, el equipo de investigación utilizó COF-303 como plantilla para construir un B-COF 3D monocristalino con canales iónicos altamente ordenados. Esta naturaleza monocristalina reduce significativamente la resistencia entre granos y facilita la deposición uniforme de litio, suprimiendo eficazmente el crecimiento de dendritas.

Este trabajo ha logrado un alto rendimiento en baterías de litio de estado sólido en las siguientes áreas:

• Conductividad y selectividad iónica excepcionales: Se logró una notable conductividad iónica de 8,1 mS cm –1  a temperatura ambiente, con un número de transferencia de Li +  de 0,98 en estado cuasi sólido, lo que garantiza un movimiento iónico rápido y selectivo.
• Estabilidad y seguridad superiores de la interfaz: Permite la deposición y disolución estable de litio durante más de 2000 horas en celdas simétricas, suprimiendo eficazmente la peligrosa formación de dendritas.
• Alta eficiencia y durabilidad a largo plazo: las celdas completas que utilizan cátodos de LiFePO 4  demostraron un ciclado robusto con una retención de capacidad del 91,8 % y una eficiencia coulómbica del 99,98 % durante 600 ciclos a 0,5 C, ofreciendo una capacidad inicial de 147 mAh g –1 .

“Nuestra investigación destaca la prometedora viabilidad de los B-COF 3D monocristalinos como electrolitos cuasi-sólidos. Al eliminar los desórdenes estructurales presentes en los materiales policristalinos, hemos dado un paso importante hacia la consecución de soluciones de almacenamiento de energía seguras y de alto rendimiento, cruciales para un futuro más sostenible”, afirmó el profesor Yoonseob Kim, coautor del estudio.

Esta investigación fue realizada en colaboración por equipos liderados por  el profesor Yoonseob Kim de la HKUST y el profesor Wang Yanming del Instituto Global de Tecnología del Futuro de la Universidad Jiao Tong de Shanghái (SJTU). Los coautores principales del estudio son el Dr. Tian Ye; el Dr. Cheng Xiaolong, investigador postdoctoral del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la HKUST, y Cheng Lei, candidato a doctorado en la SJTU .