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  • Avance de la batería:duplicación del rendimiento con metal de litio que no se incendia

    Nathan Taylor, becario postdoctoral en ingeniería mecánica, inspecciona una pieza de metal de litio en el edificio del Laboratorio Phoenix Memorial en la Universidad de Michigan el 7 de agosto, 2018 en Ann Arbor, MI. Taylor trabaja en el laboratorio de Jeff Sakamoto, profesor de ingeniería mecánica. Su equipo ha desarrollado un proceso para crear baterías de estado sólido de metal de litio con LLZO como electrolito que podría mejorar drásticamente el rendimiento y la capacidad de las tecnologías actuales de baterías de iones de litio. Crédito:Evan Dougherty / Comunicaciones y marketing de ingeniería de Michigan

    Una tecnología de batería recargable desarrollada en la Universidad de Michigan podría duplicar la salida de las celdas de iones de litio actuales, lo que aumentaría drásticamente la autonomía de los vehículos eléctricos y el tiempo entre cargas de teléfonos celulares, sin ocupar espacio adicional.

    Usando una cerámica, electrolito de estado sólido, Los ingenieros pueden aprovechar la potencia de las baterías de metal de litio sin los problemas históricos de poca durabilidad y cortocircuitos. El resultado es una hoja de ruta hacia lo que podría ser la próxima generación de baterías recargables.

    "Esto podría cambiar las reglas del juego:un cambio de paradigma en el funcionamiento de una batería, "dijo Jeff Sakamoto, un profesor asociado de ingeniería mecánica de la U-M que dirige el trabajo.

    En la década de 1980, Las baterías recargables de metal de litio que usaban electrolitos líquidos se consideraron la próxima gran novedad, penetrando en el mercado de los primeros teléfonos portátiles. Pero su propensión a arder cuando se cargan llevó a los ingenieros en diferentes direcciones. Los átomos de litio que se desplazan entre los electrodos tienden a formar filamentos en forma de árbol llamados dendritas en las superficies de los electrodos. eventualmente cortocircuitar la batería y encender el electrolito inflamable.

    La batería de iones de litio, más estable, pero tecnología menos densa en energía, se introdujo en 1991 y rápidamente se convirtió en el nuevo estándar. Estas baterías reemplazaron el metal de litio con ánodos de grafito, que absorben el litio y evitan la formación de dendritas, pero también vienen con costos de desempeño:

    El grafito puede contener solo un ion de litio por cada seis átomos de carbono, dándole una capacidad específica de aproximadamente 350 miliamperios hora por gramo (mAh / g). El metal de litio en una batería de estado sólido tiene una capacidad específica de 3, 800 mAh / g.

    Las baterías de iones de litio actuales alcanzan su máximo con una densidad de energía total de alrededor de 600 vatios-hora por litro (Wh / L) a nivel de celda. En principio, las baterías de estado sólido pueden llegar a 1, 200 Wh / L.

    Para resolver el problema de combustión del metal litio, Los ingenieros de U-M crearon una capa de cerámica que estabiliza la superficie, evitando que se formen dendritas y previniendo incendios. Permite que las baterías aprovechen los beneficios del metal de litio (densidad de energía y alta conductividad) sin los peligros de incendios o degradación con el tiempo.

    "Lo que se nos ocurrió es un enfoque diferente:estabilizar físicamente la superficie de metal de litio con una cerámica, "Dijo Sakamoto." No es combustible. Lo hacemos en más de 1, 800 grados Fahrenheit en el aire. Y no hay liquido que es lo que normalmente alimenta los incendios de la batería que ves.

    "Te deshaces de ese combustible, te deshaces de la combustión ".

    En pruebas anteriores de electrolitos en estado sólido, el metal de litio creció a través del electrolito cerámico a bajas tasas de carga, provocando un cortocircuito, muy parecido a eso en las células líquidas. Los investigadores de la U-M resolvieron este problema con tratamientos químicos y mecánicos que proporcionan una superficie prístina para que el litio se platee de manera uniforme. suprimiendo eficazmente la formación de dendritas o filamentos. Esto no solo mejora la seguridad, permite una mejora espectacular en las tasas de carga, Dijo Sakamoto.

    "Hasta ahora, las velocidades a las que podría platear litio significarían que tendría que cargar una batería de automóvil de metal de litio durante 20 a 50 horas (para máxima potencia), "Dijo Sakamoto." Con este avance, Demostramos que podemos cargar la batería en 3 horas o menos.

    "Estamos hablando de un factor de aumento de 10 en la velocidad de carga en comparación con informes anteriores para baterías de metal de litio de estado sólido. Ahora estamos a la par con las celdas de iones de litio en términos de tasas de carga, pero con beneficios adicionales. "

    Ese proceso de carga / recarga es lo que inevitablemente conduce a la eventual muerte de una batería de iones de litio. El intercambio repetido de iones entre el cátodo y el ánodo produce una degradación visible desde el primer momento.

    Al probar el electrolito cerámico, sin embargo, no se observa degradación visible después de ciclos prolongados, dijo Nathan Taylor, becario postdoctoral de la UM en ingeniería mecánica.

    "Hicimos la misma prueba durante 22 días, ", dijo." La batería era la misma al principio que al final. No vimos ninguna degradación. No tenemos conocimiento de ningún otro electrolito de estado sólido a granel que funcione tan bien durante tanto tiempo ".

    Los electrolitos de estado sólido a granel habilitan celdas que son un reemplazo directo de las baterías de iones de litio actuales y podrían aprovechar la tecnología de fabricación de baterías existente. Con el rendimiento del material verificado, el grupo de investigación ha comenzado a producir capas delgadas de electrolitos sólidos necesarios para cumplir los objetivos de capacidad de estado sólido.

    Los hallazgos del grupo aparecen en la edición del 31 de agosto de la Diario de fuentes de energía .


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