Cuando se trata de baterías, siempre hay áreas para mejorar: la carrera está por desarrollar baterías que sean más baratas, más seguras, más duraderas, más densas en energía y fácilmente reciclables.
En un artículo de revisión publicado en la edición de marzo de 2020 de Nanotecnología de la naturaleza , los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego ofrecen una hoja de ruta de investigación que incluye cuatro desafíos que deben abordarse para avanzar a una clase prometedora de baterías, las baterías de estado sólido, a la comercialización. Este artículo resume losEl trabajo del equipo para hacer frente a estos desafíos en los últimos tres años, que se ha informado en varios artículos revisados por pares publicados en varias revistas.
A diferencia de las baterías recargables de iones de litio de hoy en día, que contienen electrolitos líquidos que a menudo son inflamables, las baterías con electrolitos sólidos ofrecen la posibilidad de una mayor seguridad, además de una amplia gama de beneficios, incluida una mayor densidad de energía.
en el Nanotecnología de la naturaleza artículo de revisión, los investigadores se centran en electrolitos sólidos inorgánicos como óxidos de cerámica o vidrios de sulfuro. Los electrolitos sólidos inorgánicos son una clase relativamente nueva de electrolitos sólidos para baterías de estado sólido en contraste con los electrolitos sólidos orgánicos que se investigan más a fondo.
Hoja de ruta: electrolitos inorgánicos para baterías de estado sólido
El siguiente es un resumen de la hoja de ruta que los investigadores describen en su artículo de revisión :
2 Nuevas herramientas para en operando diagnóstico y caracterización
3 Fabricabilidad escalable y rentable
4 Baterías diseñadas para reciclabilidad
"Es crítico que demos un paso atrás y pensemos en cómo abordar estos desafíos simultáneamente porque todos están interrelacionados", dijo Shirley Meng, profesora de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de California en San Diego Jacobs. "Si vamos a hacer el bienEn la promesa de baterías de estado sólido, debemos encontrar soluciones que aborden todos estos desafíos al mismo tiempo ".
Como director del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego y director del Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales de UC San Diego, Meng es un miembro clave de un grupo de investigadores a la vanguardia de toda la investigación y desarrollo de baterías de estado sólidoen UC San Diego.
Creación de interfaces químicas de electrolitos sólidos estables
Los electrolitos de estado sólido han recorrido un largo camino desde sus primeros días, cuando los primeros electrolitos descubiertos exhibían valores de conductividad demasiado bajos para aplicaciones prácticas. Los electrolitos de estado sólido avanzados de hoy muestran conductividades que exceden incluso las de los electrolitos líquidos convencionales utilizados en las baterías actualesmayor de 10 mS cm -1 .La conductividad iónica se refiere a la rapidez con que los iones de litio pueden moverse dentro del electrolito.
Desafortunadamente, la mayoría de los electrolitos sólidos altamente conductivos reportados son a menudo electroquímicamente inestables y enfrentan problemas cuando se aplican contra materiales de electrodos usados en baterías.
"En este punto, debemos cambiar nuestro enfoque de perseguir una conductividad iónica más alta. En cambio, debemos enfocarnos en la estabilidad entre electrolitos y electrodos de estado sólido", dijo Meng.
Si la conductividad iónica es análoga a la velocidad con la que se puede conducir un automóvil, la estabilidad de la interfaz se refiere a lo difícil que es atravesar el tráfico de las horas pico. No importa qué tan rápido pueda ir su automóvil si está atrapado en el tráficocamino al trabajo
Los investigadores de UC San Diego abordaron recientemente este cuello de botella de estabilidad de la interfaz, demostrando cómo estabilizar la interfaz electrodo-electrolito y mejorar el rendimiento de la batería utilizando electrolitos sólidos con conductividades iónicas moderadas pero exhiben interfaces estables.
Nuevas herramientas para en operando diagnóstico y caracterización
¿Por qué fallan las baterías? ¿Por qué se produce un cortocircuito? El proceso de comprender lo que ocurre dentro de una batería requiere una caracterización a escala nanométrica, idealmente en tiempo real. Para baterías de estado sólido, esto es inmensamente desafiante.
La caracterización de la batería generalmente se basa en el uso de sondas tales como rayos X o microscopía electrónica u óptica. En las baterías comerciales de iones de litio, los electrolitos líquidos utilizados son transparentes, lo que permite la observación de varios fenómenos en los electrodos respectivos. En algunos casos, este líquidotambién se puede lavar para proporcionar una superficie más limpia para una caracterización de mayor resolución.
"Nos resulta mucho más fácil observar las baterías de iones de litio actuales. Pero en las baterías de estado sólido, todo es sólido o está enterrado. Si prueba las mismas técnicas para baterías de estado sólido, es como tratar de ver a travésuna pared de ladrillos ", dijo Darren HS Tan, un candidato a doctorado en nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs.
Además, los electrolitos sólidos y el metal de litio utilizados en baterías de estado sólido pueden ser sensibles al daño del haz de electrones. Esto significa que las técnicas estándar de microscopía electrónica utilizadas para estudiar baterías dañarían los materiales de interés antes de que puedan observarse y caracterizarse.
Una forma en que los investigadores de UC San Diego están superando estos desafíos es usar métodos criogénicos para mantener frescos los materiales de la batería, mitigando su descomposición bajo la sonda del microscopio electrónico.
Otra herramienta utilizada para superar los obstáculos de la caracterización de las interfaces de electrolitos sólidos es la tomografía de rayos X. Esto es similar a lo que los humanos experimentan durante sus chequeos de salud. El enfoque se utilizó en un informe reciente sobre la observación, sin abrir ni interrumpirla batería en sí, de dendritas de litio enterradas dentro del electrolito sólido.
Fabricabilidad escalable y rentable
Los avances en la investigación de baterías a menudo no significan mucho si no son escalables. Esto incluye avances para baterías de estado sólido. Si esta clase de baterías va a ingresar al mercado en los próximos años, la comunidad de baterías necesita formaspara fabricar y manejar sus materiales componentes sensibles de manera rentable y a gran escala.
En las últimas décadas, los investigadores han desarrollado, en el laboratorio, varios materiales de electrolitos sólidos que exhiben propiedades químicas ideales para las baterías. Desafortunadamente, muchos de estos materiales prometedores son demasiado costosos o demasiado difíciles de ampliar.fabricación de alto volumen. Por ejemplo, muchos se vuelven muy frágiles cuando se hacen lo suficientemente delgados para la fabricación de rollo a rollo, que exige espesores de menos de 30 micrómetros.
Además, los métodos para producir electrolitos sólidos a escalas más grandes no están bien establecidos. Por ejemplo, la mayoría de los protocolos de síntesis requieren múltiples procesos energéticos que incluyen múltiples pasos de molienda, recocido térmico y procesamiento de soluciones.
Para superar tales limitaciones, los investigadores de UC San Diego están combinando múltiples campos de especialización. Están combinando cerámicas utilizadas en ciencias de materiales tradicionales con polímeros utilizados en química orgánica para desarrollar electrolitos sólidos flexibles y estables que sean compatibles con procesos de fabricación escalables.Para abordar los problemas de síntesis de materiales, el equipo también informa cómo los materiales electrolíticos sólidos se pueden producir de forma escalable mediante la fabricación de un solo paso sin la necesidad de pasos de recocido adicionales.
Baterías diseñadas para reciclabilidad
Las baterías gastadas contienen materiales valiosos y de abundancia limitada, como litio y cobalto, que pueden reutilizarse.
Cuando alcanzan el final de sus ciclos de vida, estas baterías necesitan ir a algún lado, o simplemente se acumularán con el tiempo como desperdicio.
Los métodos de reciclaje de hoy en día, sin embargo, a menudo son caros, requieren mucho tiempo y energía e incluyen productos químicos tóxicos para el procesamiento. Además, estos métodos solo recuperan una pequeña fracción de los materiales de la batería debido a las bajas tasas de reciclaje de electrolitos, sales de litio, separador, aditivos y materiales de embalaje. En gran parte, esto se debe a que las baterías de hoy no se han diseñado teniendo en cuenta la reciclabilidad rentable desde el principio.
Los investigadores de la UC San Diego están a la vanguardia de los esfuerzos para diseñar la reutilización y la reciclabilidad en las baterías de estado sólido del mañana.
"La reutilización y reciclabilidad rentables deben integrarse en los avances futuros que se necesitan para desarrollar baterías de estado sólido que brinden altas densidades de energía de 500 vatios-hora por kg o más", dijo el profesor de nanoingeniería de UC San Diego, ZhengChen. "Es fundamental que no cometamos los mismos errores de reciclabilidad que se cometieron con las baterías de iones de litio".
Las baterías también deben diseñarse teniendo en cuenta su ciclo de vida completo. Esto significa diseñar baterías que estén destinadas a permanecer en uso mucho después de que caigan por debajo del 60 al 80 por ciento de su capacidad original, que a menudo marca el final de la útilvida útil de una batería. Esto se puede hacer explorando usos secundarios para baterías como el almacenamiento estacionario o la energía de emergencia, extendiendo su vida útil antes de que finalmente lleguen a los centros de reciclaje.
Las baterías de estado sólido con electrolitos orgánicos ofrecen una gran promesa como una tecnología de batería futura que ofrecerá alta densidad de energía, seguridad, larga vida útil y reciclabilidad. Pero convertir estas posibilidades en realidades requerirá esfuerzos de investigación estratégica que consideren cómolos desafíos, incluida la reciclabilidad, están interrelacionados.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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