En el campo de la investigación básica de baterías de iones de litio, la falta de datos experimentales reproducibles y la ausencia de criterios para la selección de electrodos han sido durante mucho tiempo los principales problemas que han aquejado a los investigadores. Recientemente, se ha logrado un avance importante en un estudio centrado en los parámetros estandarizados de electrodos de carbono vítreo (GCE) para baterías de iones de litio. Tras probar sistemáticamente GCE de diferentes especificaciones, desde 2 mm hasta 6 mm, el equipo de investigación ha confirmado por primera vez que el GCE con un diámetro de núcleo interno de 3 mm Presenta un rendimiento óptimo en eficiencia de transporte de iones de litio, estabilidad de ciclo y compatibilidad de interfaz. Su tasa de retención de capacidad alcanza el 88,6 % a una alta tasa de 5C, y la atenuación del rendimiento es de tan solo el 14,3 % tras 1000 ciclos. Este logro proporciona la primera referencia estandarizada de parámetros de electrodo para la investigación de laboratorio sobre baterías de iones de litio y se espera que mejore significativamente la eficiencia de la investigación en la industria.

1. Solucionando el "caos de tamaño": El núcleo interno de 3 mm resulta óptimo tras comparar 5 especificaciones.

«Anteriormente, al seleccionar electrodos de carbono vítreo (ECV) en los laboratorios, los investigadores se basaban principalmente en la experiencia o en las recomendaciones de los proveedores, y los datos medidos con electrodos de diferentes tamaños a menudo resultaban contradictorios», explicó el profesor Zhang Ming, líder del equipo de investigación y experto en ingeniería de materiales. Como «soporte central» para las pruebas electroquímicas de las baterías de iones de litio, los parámetros dimensionales de GCEs El diámetro del núcleo interno, la estructura del encapsulado y las especificaciones del conector afectan directamente la eficiencia de la intercalación/desintercalación de iones de litio y la estabilidad de las reacciones en la interfaz. Sin embargo, durante mucho tiempo ha habido una falta de investigación sistemática sobre la correlación entre los parámetros y el rendimiento.

Para llenar este vacío, el equipo de investigación estableció un sistema de pruebas integral. Seleccionaron cinco especificaciones principales de GCE disponibles en el mercado (con diámetros de núcleo interno de 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm y 6 mm, combinados con tamaños de empaque de PTFE que varían de 6 mm × 80 mm a 10 mm × 80 mm y conectores de cobre de 2 mm × 15 mm/20 mm) y realizaron experimentos comparativos desde tres dimensiones: microestructura, conductividad eléctrica y rendimiento electroquímico.

Las observaciones mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) mostraron que la estructura porosa del electrodo de núcleo interno de 3 mm era uniforme y densa, con un tamaño de poro concentrado entre 5 nm y 20 nm y una superficie específica de 326 m²/g. Esto proporcionaba un entorno ideal con canales suficientes y sin congestión para la intercalación/desintercalación de iones de litio. En contraste, el electrodo de núcleo interno de 2 mm presentaba poros de menor tamaño (2 nm-10 nm) debido a la contracción por carbonización, con una superficie específica que disminuía a 258 m²/g, limitando el espacio de difusión para los iones de litio. Por otro lado, el electrodo de núcleo interno de 6 mm experimentaba aglomeración de poros (30 nm-50 nm) debido a una conducción térmica desigual, lo que resultaba en una superficie específica de tan solo 212 m²/g e incluso retención de iones de litio en zonas localizadas.

«La prueba de conductividad confirmó aún más las ventajas de la especificación de 3 mm», declaró el Dr. Li Na, miembro del equipo, al presentar los datos experimentales. La conductividad a temperatura ambiente del electrodo de núcleo interno de 3 mm alcanzó los 285 S/cm, un valor significativamente superior al de las especificaciones de 2 mm (242 S/cm), 4 mm (268 S/cm), 5 mm (255 S/cm) y 6 mm (231 S/cm). «Un núcleo interno demasiado pequeño reduce la trayectoria de recolección de corriente, mientras que uno demasiado grande provoca una distribución desigual de la resistencia interna. Solo el tamaño de 3 mm permite equilibrar la eficiencia de transferencia de electrones y la estabilidad estructural».

2. Rendimiento impresionante en pruebas reales: Cumple con los estándares tanto para rendimiento de alta velocidad como de ciclo largo, con reacciones de interfaz más estables.

En las pruebas de los indicadores de rendimiento básicos para baterías de iones de litio, el rendimiento del electrodo central interno de 3 mm puso aún más de relieve su "estado de referencia".

En la prueba de carga-descarga a corriente constante, a una tasa de 0,1 C (modo de carga-descarga lento), la capacidad específica de la primera descarga del electrodo de núcleo interno de 3 mm alcanzó los 148 mAh/g con una eficiencia coulómbica del 89,2 %, lo que representa un aumento de más del 30 % en comparación con la especificación de 6 mm (112 mAh/g, 82,5 %). Al aumentar la tasa a 5 C (modo de carga-descarga rápido), su tasa de retención de capacidad se mantuvo en un elevado 88,6 %, mientras que las especificaciones de 2 mm y 6 mm solo alcanzaron el 75,3 % y el 62,1 %, respectivamente. Esto indica que esta especificación de electrodo es más adecuada para la investigación de baterías de iones de litio de alta velocidad.

«La estabilidad del ciclo es otro aspecto clave en los laboratorios», explicó el Dr. Li Na. El equipo realizó una prueba de 1000 ciclos en las cinco especificaciones de electrodos a una tasa de 1C. Los resultados mostraron que la tasa de retención de capacidad del electrodo de núcleo interno de 3 mm fue del 85,7 %, la resistencia a la transferencia de carga (Rct) fue de tan solo 85 Ω y el aumento de la resistencia tras el ciclado fue de solo el 15 %, muy inferior al de las otras especificaciones (20 %-35 %). «Esto se debe a su estructura de poros uniforme, que inhibe el crecimiento excesivo de la película SEI (película de interfase de electrolito sólido) y reduce el aumento de la impedancia de la interfaz. La estabilidad de la película SEI es precisamente el factor clave que afecta a la vida útil de las baterías de iones de litio».

Las pruebas de voltametría cíclica (VC) revelaron que el electrodo con núcleo interno de 3 mm presentaba la simetría más óptima de los picos redox, con una diferencia de potencial de pico de tan solo 0,18 V, lo que indica una buena reversibilidad de la cinética de intercalación/desintercalación de iones de litio. El análisis mediante espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) confirmó además que su contenido de oxígeno superficial (4,8 %) era moderado, lo que podría favorecer la formación uniforme de la película SEI. El electrodo con núcleo interno de 2 mm presentaba un contenido de oxígeno relativamente alto (6,2 %), lo que propiciaba una oxidación excesiva de la película SEI, mientras que el electrodo con núcleo interno de 6 mm presentaba un bajo contenido de oxígeno (3,1 %), lo que resultaba en una estabilidad insuficiente de la película SEI.

3. Mantenimiento rentable: Recuperación del rendimiento superior al 95 % mediante pulido y mayor vida útil al evitar la limpieza ultrasónica.

Además de sus ventajas en cuanto a rendimiento, la "fácil mantenibilidad" del electrodo de núcleo interno de 3 mm también proporciona una nueva forma de reducir los costes para los laboratorios.

El equipo de investigación aplicó un proceso de pulido y reparación con polvo de alúmina de 0,05 μm al electrodo de núcleo interno de 3 mm, cuyo rendimiento se había deteriorado tras 1000 ciclos. Los resultados mostraron que la morfología superficial del electrodo se restauró por completo a su estado inicial y la conductividad eléctrica se recuperó hasta 278 S/cm (una tasa de recuperación del 97,5 %). A una tasa de 1 C, la capacidad de la primera descarga alcanzó los 142 mAh/g, con una tasa de recuperación de capacidad del 95,9 %, y la tasa de retención de capacidad se mantuvo en el 92,3 % tras 100 ciclos.

«Anteriormente, algunos laboratorios limpiaban los electrodos con ultrasonidos, sin saber que esto dañaba la estructura porosa del núcleo interno de carbono vítreo», advirtió el profesor Zhang Ming. Los experimentos han confirmado que el método de mantenimiento que consiste en «evitar la limpieza ultrasónica y pulir regularmente» puede prolongar la vida útil del electrodo de núcleo interno de 3 mm entre dos y tres veces en comparación con el método tradicional. «Según la frecuencia de uso habitual en los laboratorios, el coste anual de mantenimiento por electrodo puede reducirse en más de un 60 %».

Cabe destacar que el estudio también aclaró los escenarios aplicables para las diferentes especificaciones de electrodos: para la investigación del rendimiento a altas velocidades, se debe priorizar el electrodo con núcleo interno de 3 mm; para la investigación del mecanismo de reacción interfacial, se puede utilizar el electrodo con núcleo interno de 2 mm (debido a su alto contenido de oxígeno superficial, que facilita la observación de la formación de la película SEI); y para escenarios de prueba de alta corriente, se recomienda utilizar un conector de cobre de 2 mm × 20 mm (para mejorar la estabilidad mecánica). Esto proporciona a los investigadores una guía clara para la selección de electrodos según sus necesidades.

4. Expectativas de la industria: Promover la aplicación estandarizada y acelerar la iteración tecnológica de las baterías de iones de litio.

«El valor fundamental de esta investigación reside en establecer un "referencia unificada" para la investigación básica sobre baterías de iones de litio», comentó Wang Hao, ingeniero sénior de la Asociación China de la Industria de Baterías. Durante mucho tiempo, la falta de comparación de datos experimentales, causada por la inconsistencia en los parámetros del electrodo de carbono vítreo (ECV), no solo ha supuesto un desperdicio de recursos de investigación, sino que también puede retrasar el proceso de avances tecnológicos. «Se espera que los parámetros estandarizados del electrodo de núcleo interno de 3 mm se conviertan en un estándar recomendado por la industria, lo que permitirá comparar los resultados de investigación de diferentes laboratorios y acelerará la iteración tecnológica».

Actualmente, el equipo de investigación colabora con varios fabricantes nacionales de electrodos para desarrollar electrodos de carbono vítreo estandarizados (GCE) basados en los resultados de la investigación, los cuales se espera que se suministren a los laboratorios en grandes cantidades durante el primer trimestre del próximo año. «A continuación, nos centraremos en controlar la uniformidad de los electrodos de núcleo interno de gran tamaño. Al mejorar el proceso de calentamiento por carbonización, resolveremos el problema de la conducción de calor desigual en la especificación de 6 mm. Asimismo, desarrollaremos equipos de pulido automatizados para mejorar aún más la eficiencia de su uso en el laboratorio», reveló el profesor Zhang Ming.