El avance de la batería da impulso al vuelo eléctrico y a los coches eléctricos de largo alcance
Los investigadores han diseñado nuevos electrolitos sólidos que iluminan el camino hacia una mayor electrificación del transporte
En la búsqueda de una batería recargable que pueda alimentar vehículos eléctricos (EV) durante cientos de kilómetros con una sola carga, los científicos se han esforzado por sustituir los ánodos de grafito que se utilizan actualmente en las baterías de EV por ánodos metálicos de litio.
Los investigadores del Laboratorio de Berkeley y de la Universidad Carnegie Mellon han diseñado nuevos electrolitos sólidos que iluminan el camino hacia una mayor electrificación del transporte.
Courtesy of Jinsoo Kim
Pero mientras que el litiometal amplía el alcance de un EV en un 30-50%, también acorta la vida útil de la batería debido a las dendritas de litio, pequeños defectos parecidos a los árboles que se forman en el ánodo de litio en el transcurso de muchos ciclos de carga y descarga. Lo que es peor, las dendritas provocan un cortocircuito en las celdas de la batería si hacen contacto con el cátodo.
Durante décadas, los investigadores asumieron que los electrolitos duros y sólidos, como los que se fabrican con cerámica, funcionarían mejor para evitar que las dendritas se abrieran camino a través de la celda. Pero el problema de este enfoque, según muchos, es que no impidió que las dendritas se formaran o "nuclearan" en primer lugar, como las diminutas grietas en el parabrisas de un coche que finalmente se extendieron.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), en colaboración con la Universidad Carnegie Mellon, han informado en la revista Nature Materials sobre una nueva clase de electrolitos blandos y sólidos - hechos tanto de polímeros como de cerámica - que suprimen las dendritas en esa etapa temprana de nucleación, antes de que puedan propagarse y causar que la batería falle.
Esta tecnología es un ejemplo de las colaboraciones multidisciplinarias del Laboratorio de Berkeley en todas sus instalaciones de usuario para desarrollar nuevas ideas para ensamblar, caracterizar y desarrollar materiales y dispositivos para baterías de estado sólido.
Las tecnologías de almacenamiento de energía de estado sólido, como las baterías de metal de litio de estado sólido, que utilizan un electrodo y un electrolito sólidos, pueden proporcionar una alta densidad de energía combinada con una excelente seguridad, pero la tecnología debe superar diversos materiales y desafíos de procesamiento.
"Nuestra tecnología de supresión de dendritas tiene implicaciones emocionantes para la industria de las baterías", dijo el co-autor Brett Helms, un científico del personal de la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley. "Con ella, los fabricantes de baterías pueden producir baterías de metal de litio más seguras, tanto con una alta densidad de energía como con una larga vida de ciclo".
Helms añadió que las baterías de litio-metal fabricadas con el nuevo electrolito también podrían utilizarse para alimentar aviones eléctricos.
Un enfoque suave para la supresión de dendritas
La clave para el diseño de estos nuevos electrolitos sólidos y blandos fue el uso de polímeros blandos de microporosidad intrínseca, o PIM, cuyos poros estaban llenos de partículas cerámicas de tamaño nano. Debido a que el electrolito sigue siendo un material flexible, blando y sólido, los fabricantes de baterías podrán fabricar rollos de láminas de litio con el electrolito como un laminado entre el ánodo y el separador de la batería. Estos subconjuntos de electrodos de litio, o LESAs, son atractivos sustitutos del ánodo de grafito convencional, permitiendo a los fabricantes de baterías utilizar sus líneas de montaje existentes, dijo Helms.
Para demostrar las características de supresión de dendritas del nuevo electrolito compuesto PIM, el equipo de Helms utilizó rayos X en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio de Berkeley para crear imágenes en 3D de la interfaz entre el metal de litio y el electrolito, y para visualizar el chapado y el decapado de litio durante hasta 16 horas a alta corriente. Se observó un crecimiento continuo y fluido del litio cuando el nuevo electrolito compuesto PIM estaba presente, mientras que en su ausencia la interfaz mostraba signos reveladores de las primeras etapas de crecimiento dendrítico.
Estos y otros datos confirmaron las predicciones de un nuevo modelo físico para la electrodeposición del metal de litio, que tiene en cuenta las características químicas y mecánicas de los electrolitos sólidos.
"En 2017, cuando la sabiduría convencional era que se necesitaba un electrolito duro, propusimos que un nuevo mecanismo de supresión de dendritas es posible con un electrolito sólido blando", dijo el coautor Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingeniería mecánica y miembro de la facultad del Instituto Scott para la Innovación Energética de la Universidad Carnegie Mellon, quien dirigió los estudios teóricos para el trabajo. "Es asombroso encontrar una realización material de este enfoque con compuestos PIM".
Un galardonado en el marco del programa IONICS de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada - Energía (ARPA-E), 24M Technologies, ha integrado estos materiales en baterías de mayor formato tanto para EVs como para aviones eVTOL (despegue y aterrizaje vertical eléctrico).
"Aunque existen requisitos de potencia únicos para los EVs y eVTOLs, la tecnología de electrolitos sólidos compuestos PIM parece ser versátil y habilitadora a alta potencia", dijo Helms.
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