Las baterías menos costosas, más livianas y más seguras son una necesidad vital para los combatientes de guerra; un nuevo proyecto del Ejército puede ofrecer una solución.
La creciente popularidad de las baterías de iones de litio en los últimos años ha puesto a prueba el suministro mundial de cobalto y níquel, dos metales integrales en los diseños actuales de baterías, y ha aumentado los precios.
En un intento por desarrollar diseños alternativos para baterías a base de litio con menos dependencia de esos metales escasos, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, financiado por la Oficina de Investigación del Ejército, han desarrollado un nuevo y prometedor sistema de cátodos y electrolitos que reemplaza metales caros yelectrolito líquido tradicional con fluoruros de metales de transición de menor costo y un electrolito de polímero sólido.
La Oficina de Investigación del Ejército es un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU., El laboratorio de investigación corporativo del Ejército.
"Los electrodos hechos de fluoruros de metales de transición han mostrado problemas de estabilidad y fallas rápidas, lo que lleva a un escepticismo significativo sobre su capacidad para ser utilizados en baterías de próxima generación", dijo Gleb Yushin, profesor de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech."Pero hemos demostrado que cuando se usan con un electrolito polimérico sólido, los fluoruros metálicos muestran una estabilidad notable, incluso a temperaturas más altas, lo que podría conducir a baterías de iones de litio más seguras, más livianas y más baratas".
En una batería típica de iones de litio, la energía se libera durante la transferencia de iones de litio entre dos electrodos: un ánodo y un cátodo, con un cátodo que normalmente comprende litio y metales de transición como el cobalto, el níquel y el manganeso. Los iones fluyenentre los electrodos a través de un electrolito líquido.
"El profesor Yushin ha identificado un enfoque novedoso para permitir el uso de cátodos de fluoruro de hierro y aborda problemas con cambios dimensionales y reacciones secundarias parasitarias para desarrollar baterías de litio", dijo el Dr. Robert Mantz, jefe de división, electroquímica, Oficina de Investigación del Ejército ".Se espera que las tecnologías portátiles para soldados aumenten significativamente, al igual que la necesidad de energía y fuentes de energía para operarlas. Esta investigación podría hacer que la energía de la batería esté más fácilmente disponible para los soldados en una forma segura y fácilmente transportable ".
Para el estudio, publicado en la revista Materiales de la naturaleza , el equipo de investigación fabricó un nuevo tipo de cátodo a partir de material activo de fluoruro de hierro y un nanocompuesto de electrolito de polímero sólido. Los fluoruros de hierro tienen más del doble de capacidad de litio que los cátodos tradicionales a base de cobalto o níquel. Además, el hierro es 300 vecesmenos costoso que el cobalto y 150 veces menos costoso que el níquel.
Para producir dicho cátodo, los investigadores desarrollaron un proceso para infiltrar un electrolito de polímero sólido en el electrodo prefabricado de fluoruro de hierro. Luego prensaron en caliente toda la estructura para aumentar la densidad y reducir los vacíos.
Dos características centrales del electrolito a base de polímero son su capacidad para flexionar y acomodar la hinchazón del fluoruro de hierro durante el ciclo y su capacidad para formar una interfase muy estable y flexible con el fluoruro de hierro. Tradicionalmente, esa inflamación y reacciones secundarias masivas tienenHa habido problemas clave con el uso de fluoruro de hierro en diseños de baterías anteriores.
"Los cátodos hechos de fluoruro de hierro tienen un enorme potencial debido a su alta capacidad, bajos costos de material y una disponibilidad muy amplia de hierro", dijo Yushin. "Pero el volumen cambia durante el ciclo y las reacciones secundarias parasitarias con electrolitos líquidos y otras degradacioneslos problemas han limitado su uso anteriormente. El uso de un electrolito sólido con propiedades elásticas resuelve muchos de estos problemas ".
Luego, los investigadores probaron varias variaciones de las nuevas baterías de estado sólido para analizar su rendimiento durante más de 300 ciclos de carga y descarga a una temperatura elevada de 122 grados Fahrenheit, señalando que superaron los diseños anteriores con fluoruro metálico incluso cuando se mantuvieronenfriar a temperatura ambiente.
Los investigadores descubrieron que la clave para mejorar el rendimiento de la batería era el electrolito de polímero sólido. En intentos anteriores de usar fluoruros metálicos, se creía que los iones metálicos migraban a la superficie del cátodo y finalmente se disolvían en el electrolito líquido, causando unpérdida de capacidad, particularmente a temperaturas elevadas. Además, los fluoruros metálicos catalizaron la descomposición masiva de electrolitos líquidos cuando las células operaban a más de 100 grados Fahrenheit. Sin embargo, en la conexión entre el electrolito sólido y el cátodo, dicha disolución no tiene lugarLos electrolitos sólidos permanecen notablemente estables, evitando tales degradaciones, escribieron los investigadores.
"El electrolito polimérico que utilizamos era muy común, pero muchos otros electrolitos sólidos y otras arquitecturas de baterías o electrodos, como las morfologías de partículas núcleo-cáscara, deberían ser capaces de mitigar drásticamente o incluso prevenir completamente las reacciones secundarias parasitarias y lograrcaracterísticas de rendimiento estables ", dijo Kostiantyn Turcheniuk, científico investigador en el laboratorio de Yushin y coautor del manuscrito.
En el futuro, los investigadores pretenden desarrollar electrolitos sólidos nuevos y mejorados para permitir una carga rápida y también combinar electrolitos sólidos y líquidos en nuevos diseños que sean totalmente compatibles con las tecnologías convencionales de fabricación de celdas empleadas en grandes fábricas de baterías.
"La implementación exitosa de estos materiales en las baterías permitiría aumentos significativos en la seguridad y el peso de la batería, reduciendo así el peso de las baterías requeridas para el poder del Soldado", dijo Mantz.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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