Hacia mejores baterías de estado sólido
Un equipo del Berkeley Lab diseña baterías de última generación a nivel atómico
Un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad Estatal de Florida ha diseñado un nuevo modelo de baterías de estado sólido que dependen menos de elementos químicos específicos, en particular metales críticos cuya obtención resulta difícil por problemas en la cadena de suministro. Su trabajo, publicado recientemente en la revista Science, podría contribuir al desarrollo de baterías de estado sólido eficientes y asequibles.
Imagen simbólica
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Las imágenes del microscopio electrónico de transmisión revelan la distribución elemental en un electrolito sólido "desordenado": Fila superior: titanio (Ti), circonio (Zr) y estaño (Sn); fila inferior: hafnio (Hf), fósforo (P) y oxígeno (O). Barra de escala: 50 nanómetros.
Yan Zeng and Gerd Ceder/Berkeley Lab
Las baterías de estado sólido, famosas por su alta densidad energética y seguridad superior, podrían cambiar las reglas del juego del sector del automóvil eléctrico. Pero desarrollar una que sea asequible y lo suficientemente conductora como para alimentar un coche durante cientos de kilómetros con una sola carga ha sido durante mucho tiempo un obstáculo difícil de superar.
"Con nuestro nuevo enfoque de las baterías de estado sólido, no es necesario renunciar a la asequibilidad a cambio de rendimiento. Nuestro trabajo es el primero que resuelve este problema diseñando un electrolito sólido no con un solo metal, sino con un equipo de metales asequibles", afirma el coautor Yan Zeng, científico de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley.
En una batería de iones de litio, el electrolito funciona como un centro de transferencia donde los iones de litio se mueven con la carga eléctrica para alimentar un dispositivo o recargar la batería.
Al igual que otras baterías, las de estado sólido almacenan energía y luego la liberan para alimentar dispositivos. Pero en lugar de los electrolitos líquidos o de gel polímero de las baterías de iones de litio, utilizan un electrolito sólido.
El gobierno, la investigación y el mundo académico han invertido mucho en la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido porque los electrolitos líquidos diseñados para muchas baterías comerciales son más propensos al sobrecalentamiento, los incendios y la pérdida de carga.
Sin embargo, muchas de las baterías de estado sólido construidas hasta ahora se basan en tipos específicos de metales que son caros y no están disponibles en grandes cantidades. Algunas no se encuentran en absoluto en Estados Unidos.
Para el estudio actual, Zeng -junto con Bin Ouyang, profesor adjunto de química y bioquímica de la Universidad Estatal de Florida- y el autor principal Gerbrand Ceder, científico titular de la facultad de Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UC Berkeley, demostraron un nuevo tipo de electrolito sólido compuesto por una mezcla de varios elementos metálicos. Zeng y Ouyang desarrollaron por primera vez la idea de este trabajo mientras finalizaban su investigación posdoctoral en el Laboratorio de Berkeley y la UC Berkeley bajo la supervisión de Ceder.
Los nuevos materiales podrían dar lugar a un electrolito sólido más conductor y menos dependiente de una gran cantidad de un elemento individual.
En experimentos realizados en el Laboratorio de Berkeley y la Universidad de Berkeley, los investigadores demostraron el nuevo electrolito sólido sintetizando y probando varios materiales de iones de litio y de sodio con múltiples metales mezclados.
Observaron que los nuevos materiales multimetálicos funcionaban mejor de lo esperado, mostrando una conductividad iónica varios órdenes de magnitud superior a la de los materiales monometálicos. La conductividad iónica es una medida de la rapidez con que los iones de litio se mueven para conducir la carga eléctrica.
Según la teoría de los investigadores, la mezcla de varios tipos de metales crea nuevas vías -como si se añadieran vías rápidas en una autopista congestionada- por las que los iones de litio pueden desplazarse rápidamente por el electrolito. Sin estas vías, el movimiento de los iones de litio sería lento y limitado cuando viajan por el electrolito de un extremo a otro de la batería, explicó Zeng.
Para validar los candidatos al diseño multimetal, los investigadores realizaron cálculos teóricos avanzados basados en un método llamado teoría del funcional de la densidad en superordenadores del Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación Energética (NERSC). Utilizando microscopios electrónicos de barrido y transmisión (STEM) en la Fundición Molecular, los investigadores confirmaron que cada electrolito está formado por un solo tipo de material -lo que los científicos denominan una "fase única"- con distorsiones inusuales que dan lugar a las nuevas vías de transporte de iones en su estructura cristalina.
El descubrimiento abre nuevas oportunidades para diseñar conductores iónicos de nueva generación. El siguiente paso en esta investigación es aplicar el nuevo enfoque que Zeng ha desarrollado con Ceder en el Laboratorio de Berkeley para seguir explorando y descubriendo nuevos materiales de electrolitos sólidos que puedan mejorar aún más el rendimiento de las baterías.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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