Las baterías de almacenamiento de energía son cruciales para el uso estable de energías renovables, pero su vida útil y rendimiento de tasa necesitan mejorarse. Los materiales de cátodo sin litio tienen ventajas significativas, pero no pueden funcionar normalmente cuando se emparejan con ánodos de grafito tradicionales debido a la falta de iones de litio activos. Recientemente, el equipo de Gao Yue de la Universidad Fudan publicó un artículo titulado "Long-Lifespan and High-Rate Energy Storage Enabled by Lithium-Free Batteries with External Li Supply" en la revista internacional de renombre Advanced Materials, explorando las condiciones y factores de influencia necesarios para el suministro externo de litio en baterías sin litio, proporcionando estrategias viables para aplicaciones de almacenamiento de energía a escala de red.

Esta investigación explora los desafíos en la aplicación de materiales de cátodo sin litio en sistemas de baterías de iones de litio, y logra un avance en baterías sin litio para aplicaciones de larga vida útil y alta tasa mediante suministro externo de litio. Los aditivos tradicionales de litio tienen problemas como alto voltaje de descomposición, conversión electroquímica incompleta y residuos de subproductos sólidos. Esta investigación utiliza trifluorometanosulfonato de litio (LiSO₂CF₃) como aditivo del electrolito, aplicado en el sistema de batería blíster de grafito|TiS₂, que se descompone electroquímicamente de manera estable a 3,8 V, suministrando iones de litio al sistema, y no deja residuos sólidos después de la descomposición, resolviendo el problema de acumulación de subproductos y favoreciendo la operación estable a largo plazo de la batería.

La integridad estructural del electrodo es crucial para el ciclo estable a largo plazo de la batería. Los aditivos tradicionales de litio para cátodos destruyen la red conductora del electrodo, mientras que los aditivos para ánodos afectan la integridad del electrodo. Esta investigación introduce LiSO₂CF₃ como aditivo del electrolito, y mediante análisis de microscopía electrónica e imagen ultrasónica, muestra que el proceso de suministro de litio no daña la estructura del electrodo.

La composición de la interfaz del electrodo es otro factor clave que determina la estabilidad del ciclo a largo plazo de la batería. Esta investigación utiliza espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) para mostrar que el proceso de suministro externo de litio no genera reacciones secundarias adicionales en el lado del cátodo, y los iones de litio liberados durante el proceso de suministro de litio se incrustan exitosamente en el ánodo de grafito, proporcionando un medio activo para el ciclo de la batería.

La estrategia de suministro externo de litio basada en LiSO₂CF₃ permite que la batería blíster de grafito|TiS₂ alcance una vida útil de ciclo superior a 14.000 veces a una densidad de corriente de 10C, satisfaciendo las múltiples demandas de respuesta rápida, larga vida útil y bajos costos operativos para el almacenamiento de energía a nivel de red. Esta investigación no solo proporciona una ruta tecnológica viable para el desarrollo de baterías sin litio, sino que también abre nuevas direcciones para promover la construcción de sistemas de almacenamiento de energía verdes, económicos y eficientes.

Gao Yue es profesor de la Universidad Fudan, científico joven principal del Programa Nacional de I+D Prioritario, y receptor de Young Overseas Talents. Obtuvo su doctorado en la Universidad Estatal de Pensilvania en 2018 y se unió al Departamento de Ciencia de Polímeros de la Universidad Fudan en diciembre de 2020. Ha llevado a cabo una serie de trabajos de investigación en la regulación de procesos electroquímicos de baterías con materiales orgánicos y poliméricos, dirige múltiples fondos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y ha recibido varios honores.