En la búsqueda de una batería recargable que pueda alimentar vehículos eléctricos EV durante cientos de millas con una sola carga, los científicos se han esforzado por reemplazar los ánodos de grafito que se usan actualmente en las baterías EV con ánodos de metal de litio.
Pero si bien el metal de litio extiende el rango de conducción de un EV en un 30-50%, también acorta la vida útil de la batería debido a las dendritas de litio, pequeños defectos en forma de vetas que se forman en el ánodo de litio en el transcurso de muchos ciclos de carga y descarga., las dendritas provocan un cortocircuito en las celdas de la batería si entran en contacto con el cátodo.
Durante décadas, los investigadores asumieron que los electrolitos sólidos y duros, como los hechos de cerámica, funcionarían mejor para evitar que las dendritas se abran paso a través de la célula. Pero el problema con ese enfoque, muchos descubrieron, es que nopara evitar que las dendritas se formen o "nucleen" en primer lugar, como pequeñas grietas en el parabrisas de un automóvil que eventualmente se extienden.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab, en colaboración con la Universidad Carnegie Mellon, han informado en la revista Materiales de la naturaleza una nueva clase de electrolitos blandos y sólidos, hechos de polímeros y cerámicas, que suprimen las dendritas en esa etapa temprana de nucleación, antes de que puedan propagarse y hacer que la batería falle.
La tecnología es un ejemplo de las colaboraciones multidisciplinarias de Berkeley Lab en sus instalaciones de usuario para desarrollar nuevas ideas para ensamblar, caracterizar y desarrollar materiales y dispositivos para baterías de estado sólido.
Las tecnologías de almacenamiento de energía de estado sólido, como las baterías de litio metálico de estado sólido, que utilizan un electrodo sólido y un electrolito sólido, pueden proporcionar una alta densidad de energía combinada con una excelente seguridad, pero la tecnología debe superar diversos materiales y desafíos de procesamiento.
"Nuestra tecnología de supresión de dendritas tiene implicaciones emocionantes para la industria de las baterías", dijo el coautor Brett Helms, científico del personal de la Fundición molecular de Berkeley Lab. "Con ella, los fabricantes de baterías pueden producir baterías de metal de litio más seguras con alta densidad de energíay un ciclo de vida largo ".
Helms agregó que las baterías de metal de litio fabricadas con el nuevo electrolito también podrían usarse para alimentar aviones eléctricos.
Un enfoque suave para la supresión de dendritas
La clave para el diseño de estos nuevos electrolitos blandos y sólidos fue el uso de polímeros blandos de microporosidad intrínseca, o PIM, cuyos poros estaban llenos de partículas cerámicas nanosized. Debido a que el electrolito sigue siendo un material flexible, blando y sólido, los fabricantes de bateríaspodrá fabricar rollos de láminas de litio con el electrolito como laminado entre el ánodo y el separador de la batería. Estos subconjuntos de electrodos de litio, o LESA, son reemplazos atractivos para el ánodo de grafito convencional, lo que permite a los fabricantes de bateríasusar sus líneas de montaje existentes, dijo Helms.
Para demostrar las características de supresión de la dendrita del nuevo electrolito compuesto PIM, el equipo de Helms usó rayos X en la Fuente de luz avanzada de Berkeley Lab para crear imágenes en 3D de la interfaz entre el metal de litio y el electrolito, y para visualizar el revestimiento y la eliminación de litio.durante hasta 16 horas a alta corriente. Se observó un crecimiento continuo y suave de litio cuando estaba presente el nuevo electrolito compuesto PIM, mientras que en su ausencia la interfaz mostró signos reveladores de las primeras etapas de crecimiento dendrítico.
Estos y otros datos confirmaron las predicciones de un nuevo modelo físico para la electrodeposición de litio metálico, que tiene en cuenta las características químicas y mecánicas de los electrolitos sólidos.
"En 2017, cuando la sabiduría convencional era que necesita un electrolito duro, propusimos que es posible un nuevo mecanismo de supresión de dendrita con un electrolito sólido blando", dijo el coautor Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingeniería mecánica y facultadmiembro del Instituto Scott para la Innovación Energética en la Universidad Carnegie Mellon que dirigió los estudios teóricos para el trabajo. "Es sorprendente encontrar una materialización de este enfoque con los compuestos PIM".
Un galardonado bajo el programa IONICS de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía ARPA-E, 24M Technologies, ha integrado estos materiales en baterías de mayor formato tanto para EV como para aviones EVV despegue y aterrizaje vertical eléctrico.
"Si bien existen requisitos de potencia únicos para los EV y los eVTOL, la tecnología de electrolitos sólidos compuestos PIM parece ser versátil y permite una alta potencia", dijo Helms.
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