¿De qué está hecha la batería del futuro?
¿Qué caracteriza a una buena batería? ¿Su capacidad, su rapidez de carga o su precio?
El grupo de investigación de Empa dirigido por Maksym Kovalenko investiga materiales innovadores para las baterías del mañana. Ya se trate de coches eléctricos de carga rápida o de almacenamiento estacionario de bajo coste, hay un material prometedor o un proceso de fabricación novedoso para cada aplicación.
Bajo presión: Kostiantyn Kravchyk estudia si el crecimiento indeseado de dendritas puede reducirse con presión. El trabajo en las novedosas pilas se lleva a cabo en una atmósfera protectora.
Empa
¿Qué caracteriza a una buena batería? ¿Su capacidad? ¿Su rapidez de carga? ¿O su precio? La respuesta depende de dónde se utilice la batería, dice el investigador del Empa Kostiantyn Kravchyk. En el Grupo de Materiales Inorgánicos Funcionales, dirigido por Maksym Kovalenko y perteneciente al Laboratorio de Películas Finas y Fotovoltaica de Empa, el científico está desarrollando nuevos materiales para que las baterías del mañana sean más potentes y rápidas, o más económicas.
Dos ámbitos de aplicación de las baterías recargables son cruciales para la transición a las energías renovables. Uno es la electromovilidad; el otro es el llamado almacenamiento estacionario, que almacena electricidad procedente de fuentes de energía renovables como el viento y el sol. Las baterías para coches eléctricos deben ser compactas y ligeras, tener una gran capacidad y cargarse lo más rápidamente posible. Las baterías estacionarias pueden ocupar más espacio, pero sólo son rentables si son lo más baratas posible.
No es tarea sencilla
En esencia, toda batería consta de un cátodo, un ánodo y un electrolito. En las baterías de iones de litio convencionales, el ánodo es de grafito, y el material del cátodo es un óxido mixto de litio y otros metales, como el óxido de litio y cobalto (III). Los electrolitos se utilizan como transmisores de iones de litio desde el cátodo al ánodo y viceversa, dependiendo de si la célula se está cargando o descargando.
Cuando se trata de baterías para electromovilidad, se requiere una alta densidad energética. "Con un ánodo de litio metálico puro en lugar de grafito, podríamos almacenar muchas veces más energía en una célula del mismo tamaño", afirma Kravchyk. Sin embargo, el litio no se desprende ni se deposita uniformemente cuando la célula se carga y se descarga. Esto da lugar a la formación de las llamadas dendritas: estructuras ramificadas de litio metálico que pueden cortocircuitar la pila.
Una forma de frenar el crecimiento de las dendritas es utilizar electrolitos sólidos. En las llamadas baterías de estado sólido, en lugar de un líquido, una capa sólida de material conduce los iones de litio del cátodo al ánodo y viceversa.
Los requisitos del material electrolítico son elevados. "La gente habla de cargar las baterías en diez o quince minutos", explica Kravchyk. "Eso requiere una densidad de corriente muy alta, a la que se forman dendritas incluso en las baterías de estado sólido". La densidad de corriente es la relación entre la corriente y la superficie por la que circula. Otro problema es que la deposición desigual de litio crea huecos en la frontera entre el electrodo y el electrolito sólido, lo que reduce la superficie de contacto disponible y aumenta aún más la densidad de corriente.
Un material, dos capas
Como parte del programa de financiación Fraunhofer ICON (Cooperación Internacional y Trabajo en Red), Kravchyk y otros investigadores de Empa han perfeccionado un prometedor electrolito sólido. El material, óxido de litio, lantano y circonio, abreviado LLZO, tiene una elevada conductividad iónica y estabilidad química, propiedades ideales para su uso en baterías.
"Hemos fabricado una membrana LLZO bicapa formada por una capa densa y otra porosa", explica Kravchyk. Si el litio se almacena en los poros, se crea un área de contacto muy grande entre el litio y el electrolito, y la densidad de corriente sigue siendo baja. La densa capa garantiza que no puedan crecer dendritas hacia el otro electrodo y provocar un cortocircuito. Los investigadores también han pensado en la rentabilidad: Han desarrollado un proceso sencillo, barato y escalable para producir las membranas bicapa.
Hierro barato en lugar de cobalto costoso
Los investigadores adoptaron un enfoque muy distinto en un proyecto de almacenamiento estacionario de energía renovable. "La métrica más importante para el almacenamiento estacionario es el precio", explica Kravchyk. Las baterías de iones de litio que se utilizan hoy en día para el almacenamiento estacionario son comparativamente caras. "Por eso la mayor parte de las necesidades de almacenamiento estacionario se siguen cubriendo con tecnología hidroeléctrica de bombeo, aunque tenga una densidad energética muy baja en comparación con las baterías", prosigue el investigador.
Uno de los principales factores de coste de las baterías estacionarias de iones de litio son los materiales utilizados para fabricarlas. Además del litio, se necesitan cobalto y níquel para el cátodo. La búsqueda de mejores materiales para el cátodo llevó rápidamente a los investigadores a uno de los elementos más comunes de la corteza terrestre: el hierro.
Para su cátodo, los investigadores combinaron este metal barato con fluoruro en forma de hidroxifluoruro de hierro (III). "Los métodos anteriores para fabricar baterías basadas en fluoruros de hierro se basaban en la conversión química", explica Kravchyk. Se trata de convertir los iones de hierro en hierro metálico. "Este proceso no es muy estable", afirma el investigador. "Lo ideal es que los iones simplemente pasen de un polo a otro sin sufrir grandes transformaciones estructurales".
Todo un reto para los investigadores, ya que los fluoruros tienen poca conductividad, tanto para los electrones como para los iones de litio. Pero el equipo de Kravchyk tiene la solución: Mediante un proceso sencillo y barato, han dotado a su hidroxifluoruro de hierro(III) de una estructura cristalina particular. Esta estructura, denominada pirocloro, contiene en su interior canales que conducen los iones de litio.
"Con nuestra batería hemos conseguido un rendimiento comparable a un precio mucho menor", afirma Kravchyk. "Estamos totalmente sorprendidos de que casi nadie haya explorado hasta ahora la síntesis de bajo coste de este prometedor material".
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.
Publicación original
Huanyu Zhang, Romain Dubey, Michael Inniger, Faruk Okur, Robin Wullich, Annapaola Parrilli, Dogan Tarik Karabay, Antonia Neels, Kostiantyn V. Kravchyk, Maksym V. Kovalenko; "Ultrafast-sintered self-standing LLZO membranes for high energy density lithium-garnet solid-state batteries"; Cell Reports Physical Science, Volume 4
Julian Felix Baumgärtner, Michael Wörle, Christoph P. Guntlin, Frank Krumeich, Sebastian Siegrist, Valentina Vogt, Dragos C. Stoian, Dmitry Chernyshov, Wouter van Beek, Kostiantyn V. Kravchyk, Maksym V. Kovalenko; "Pyrochlore‐Type Iron Hydroxy Fluorides as Low‐Cost Lithium‐Ion Cathode Materials for Stationary Energy Storage"; Advanced Materials, 2023-11-5
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