El almacenamiento de electricidad en baterías tiene una demanda cada vez mayor para los teléfonos inteligentes, laptops, coches y la red eléctrica. Las baterías de estado sólido se encuentran entre las tecnologías de próxima generación más prometedoras porque ofrecen un mayor nivel de seguridad y una vida potencialmente más larga.

El Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR) ha logrado avances significativos con las baterías de estado sólido como sucesoras de las baterías de iones de litio (Li-ion) actuales. Un desafío importante con las baterías de estado sólido es aumentar la difusividad de los iones de litio en el electrolito de estado sólido, que suele ser más lento que en los electrolitos orgánicos líquidos que se utilizan ahora en las baterías de iones de litio.

Linda Nazar de JCESR, profesor destacado de la Universidad de Waterloo, y Zhizhen Zhang, su investigadora asociada postdoctoral, publicó su investigación sobre la mejora de la movilidad de los iones de litio en baterías de estado sólido utilizando el efecto de rueda de paletas, que es el movimiento coordinado de los átomos, en un artículo titulado:"Apuntar a la conductividad superiónica a temperatura ambiente activando la rotación de aniones en conductores de iones rápidos" el 3 de junio en Importar , una revista mensual de ciencia de materiales. JCESR es un Centro de Innovación Energética dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). La Universidad de Waterloo es uno de los 18 socios de JCESR.

Baterías de estado sólido, utilizando electrolitos sólidos en lugar de los electrolitos orgánicos líquidos habituales, han surgido como un reemplazo prometedor para las baterías de iones de litio actuales, según Nazar.

"Ofrecen el potencial de baterías más seguras y duraderas que pueden ofrecer una mayor densidad de energía importante para una amplia variedad de aplicaciones de almacenamiento de energía electroquímica, como vehículos, robots, drones y más, "dijo Nazar." Como el componente más importante de las baterías de estado sólido, el electrolito sólido determina en gran medida su seguridad y estabilidad del ciclo ".

Una reacción química no deseada llamada reacción térmica fuera de control, ha provocado incendios y explosiones que involucran a las baterías de iones de litio de hoy en día, que continúan ardiendo hasta que se quedan sin combustible. Debido a estos peligros, JCESR busca eliminar el electrolito orgánico líquido interno reemplazándolo por un sólido.

Muy pocos electrolitos de estado sólido tienen una conductividad iónica tan alta como los electrolitos orgánicos líquidos, y reciben la mayor parte de la atención. JCESR está explorando un fenómeno prometedor que acelera drásticamente la difusión de iones:el movimiento de rotación de iones negativos normalmente estáticos (es decir, aniones) en el marco de electrolitos de estado sólido que ayudan a impulsar el movimiento del Li ⁺ iones positivos (es decir, cationes).

"De hecho, resulta que los 'bloques de construcción' de aniones que componen el marco sólido no son rígidos, pero experimentan un movimiento de rotación, ", dijo Nazar." Nuestro estudio aborda este principio para mostrar que la dinámica aniónica en el marco del sólido mejora Li ⁺ transporte de cationes. La dinámica de aniones se puede 'activar' incluso a temperatura ambiente ajustando el marco, y la dinámica aniónica está fuertemente acoplada a la difusión catiónica por el efecto de rueda de paletas. Esto es algo parecido al transporte de personas a través de una puerta giratoria para varias personas ".

Si bien los electrolitos sólidos nuevos aún se encuentran en la etapa de desarrollo, los avances son alentadores. Un gran avance cambiaría las reglas del juego y aumentaría drásticamente la seguridad y el despliegue de las baterías de iones de litio. según el director de JCESR, George Crabtree.

"Si puede encontrar un electrolito de estado sólido que permita un Li ⁺ movimiento catiónico, sería un reemplazo directo de los electrolitos orgánicos líquidos y eliminaría inmediatamente las baterías de la reacción térmica fuera de control, la principal causa de incendio en las baterías de iones de litio de hoy ", dijo Crabtree." Solo por sus ventajas de seguridad, habría un gran mercado en los teléfonos móviles, laptops, grabadoras de video, automóviles y la red eléctrica ".

El entusiasmo intelectual por las baterías de estado sólido se comparte en JCESR. Otros colaboradores de la Universidad de Michigan y el MIT también están explorando los electrolitos sólidos y el efecto de rueda de paletas. Las baterías de estado sólido son uno de los avances más prometedores y buscados para la industria, dijo Crabtree.

"JCESR quiere comprender los orígenes del comportamiento de la batería a nivel atómico y molecular. Con este conocimiento, podemos construir la batería de abajo hacia arriba, átomo por átomo y molécula por molécula, donde cada átomo y molécula desempeñan un papel prescrito en la producción del comportamiento de la batería objetivo, "Dijo Crabtree." El efecto de rueda de paletas es un ejemplo de eso. Este documento se encuentra en la frontera misma del comportamiento de los electrolitos sólidos, y queremos trasladar este conocimiento al sector comercial ".