La gente no pide demasiado de las baterías: entregue energía cuando sea necesario y durante el tiempo que desee, recargue rápidamente y no se incendie.
Una ola de incendios de teléfonos celulares en 2016 sacudió la confianza del consumidor en las baterías de iones de litio, una tecnología que ayudó a marcar el comienzo de la electrónica portátil moderna pero que ha estado plagada de preocupaciones de seguridad desde que se introdujo en la década de 1980. A medida que aumenta el interés en los vehículos eléctricos, investigadores y expertos de la industria están buscando una tecnología mejorada de batería recargable que pueda alimentar de forma segura y confiable automóviles, vehículos autónomos, robótica y otros dispositivos de próxima generación.
La nueva investigación de Cornell avanza en el diseño de baterías de estado sólido, una tecnología que es inherentemente más segura y más densa en energía que las baterías actuales de iones de litio, que dependen de electrolitos líquidos inflamables para la transferencia rápida de energía química almacenada en enlaces moleculares a la electricidadAl comenzar con electrolitos líquidos y luego transformarlos en polímeros sólidos dentro de la celda electroquímica, los investigadores aprovechan las propiedades tanto líquidas como sólidas para superar las limitaciones clave en los diseños actuales de baterías.
"Imagine un vaso lleno de cubitos de hielo: parte del hielo entrará en contacto con el vidrio, pero hay lagunas", dijo Qing Zhao, investigador postdoctoral y autor principal del estudio, "Electrolitos de polímero de estado sólido con electrodos incorporadosTransporte interfaz rápido para baterías de litio secundarias ", publicado el 11 de marzo en Energía natural .
"Pero si llena el vaso con agua y lo congela, las interfaces estarán completamente recubiertas y establecerá una conexión fuerte entre la superficie sólida del vidrio y su contenido líquido", dijo Qing. "Este mismo concepto general enuna batería facilita altas tasas de transferencia de iones a través de las superficies sólidas de un electrodo de batería a un electrolito sin necesidad de un líquido combustible para funcionar ".
La idea clave es la introducción de moléculas especiales capaces de iniciar la polimerización dentro de la célula electroquímica, sin comprometer otras funciones de la célula. Si el electrolito es un éter cíclico, el iniciador puede diseñarse para abrir el anillo, produciendo monómero reactivohebras que se unen para crear moléculas largas en forma de cadena con esencialmente la misma química que el éter. Este polímero ahora sólido retiene las conexiones apretadas en las interfaces metálicas, al igual que el hielo dentro de un vaso.
Más allá de su relevancia para mejorar la seguridad de la batería, los electrolitos de estado sólido también son beneficiosos para permitir que las baterías de próxima generación que utilizan metales, incluidos el litio y el aluminio, sean ánodos para lograr un almacenamiento de energía mucho mayor del que es posible en el estado actualtecnología de batería de arte. En este contexto, el electrolito de estado sólido evita que el metal forme dendritas, un fenómeno que puede provocar un cortocircuito en la batería y provocar sobrecalentamiento y fallas.
A pesar de las ventajas percibidas de las baterías de estado sólido, los intentos de la industria de producirlas a gran escala han encontrado contratiempos. Los costos de fabricación son altos y las pobres propiedades de interfaz de los diseños anteriores presentan obstáculos técnicos importantes. Un sistema de estado sólido también evitala necesidad de enfriamiento de la batería al proporcionar estabilidad a los cambios térmicos.
"Nuestros hallazgos abren un camino completamente nuevo para crear baterías prácticas de estado sólido que pueden usarse en una variedad de aplicaciones", dijo la autora principal Lynden Archer, profesora distinguida de ingeniería de la familia James A. Friend en la Smith School of Chemicale Ingeniería Biomolecular.
Según Archer, la nueva estrategia in situ para crear electrolitos de polímeros sólidos es particularmente emocionante porque promete extender la vida útil del ciclo y la capacidad de recarga de las baterías de metal recargables de alta densidad de energía.
"Nuestro enfoque funciona para la tecnología actual de iones de litio al hacerla más segura, pero ofrece la oportunidad para la tecnología de batería futura", dijo Archer.
Otros autores son estudiantes de doctorado Xiaotun Liu y Sanjuna Stalin, y Kasim Khan '20. La investigación fue apoyada por el programa de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía y a través de la financiación de las instalaciones de la Fundación Nacional de Ciencias.
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Materiales proporcionado por Universidad de Cornell . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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