Una nueva investigación realizada por ingenieros en el MIT y en otros lugares podría conducir a baterías que pueden acumular más energía por libra y durar más. basado en el objetivo largamente buscado de utilizar metal de litio puro como uno de los dos electrodos de la batería, el ánodo.

El nuevo concepto de electrodo proviene del laboratorio de Ju Li, el profesor de ciencia e ingeniería nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Se describe en la revista Naturaleza , en un artículo escrito en coautoría por Yuming Chen y Ziqiang Wang en el MIT, junto con otras 11 personas en el MIT y en Hong Kong, Florida, y Texas.

El diseño es parte de un concepto para desarrollar baterías seguras totalmente de estado sólido, prescindir del gel líquido o polimérico que se suele utilizar como material electrolítico entre los dos electrodos de la batería. Un electrolito permite que los iones de litio viajen de un lado a otro durante los ciclos de carga y descarga de la batería. y una versión totalmente sólida podría ser más segura que los electrolitos líquidos, que tienen alta volatilidad y han sido fuente de explosiones en baterías de litio.

"Se ha trabajado mucho en baterías de estado sólido, con electrodos de metal de litio y electrolitos sólidos, "Li dice, pero estos esfuerzos se han enfrentado a una serie de problemas.

Uno de los mayores problemas es que cuando la batería está cargada, los átomos se acumulan dentro del metal litio, haciendo que se expanda. El metal luego se contrae nuevamente durante la descarga, a medida que se usa la batería. Estos cambios repetidos en las dimensiones del metal, algo así como el proceso de inhalar y exhalar, dificultan que los sólidos mantengan un contacto constante, y tienden a hacer que el electrolito sólido se fracture o se desprenda.

Otro problema es que ninguno de los electrolitos sólidos propuestos es verdaderamente químicamente estable mientras está en contacto con el metal litio altamente reactivo. y tienden a degradarse con el tiempo.

La mayoría de los intentos de superar estos problemas se han centrado en diseñar materiales de electrolitos sólidos que sean absolutamente estables frente al metal litio. que resulta ser difícil. En lugar de, Li y su equipo adoptaron un diseño inusual que utiliza dos clases adicionales de sólidos, "conductores mixtos iónico-electrónicos" (MIEC) y "aislantes de electrones y de iones de litio" (ELI), que son absolutamente estables químicamente en contacto con el metal litio.

Los investigadores desarrollaron una nanoarquitectura tridimensional en forma de una matriz de tubos MIEC hexagonales en forma de panal, infundido parcialmente con el metal de litio sólido para formar un electrodo de la batería, pero con espacio extra dentro de cada tubo. Cuando el litio se expande en el proceso de carga, fluye hacia el espacio vacío en el interior de los tubos, moviéndose como un líquido a pesar de que conserva su estructura cristalina sólida. Este flujo totalmente confinado dentro de la estructura alveolar, alivia la presión de la expansión causada por la carga, pero sin cambiar las dimensiones externas del electrodo o el límite entre el electrodo y el electrolito. El otro material, el ELI, sirve como un aglutinante mecánico crucial entre las paredes del MIEC y la capa sólida de electrolito.

"Diseñamos esta estructura que nos da electrodos tridimensionales, como un panal, ", Dice Li. Los espacios vacíos en cada tubo de la estructura permiten que el litio" se deslice hacia atrás "en los tubos, "y de esa manera, no acumula estrés para romper el electrolito sólido ". El litio en expansión y contracción dentro de estos tubos entra y sale, algo así como los pistones de un motor de automóvil dentro de sus cilindros. Debido a que estas estructuras están construidas en dimensiones a nanoescala (los tubos tienen aproximadamente 100 a 300 nanómetros de diámetro, y decenas de micrones de altura), el resultado es como "un motor con 10 mil millones de pistones, con litio metálico como fluido de trabajo, "Li dice.

Debido a que las paredes de estas estructuras en forma de panal están hechas de MIEC químicamente estable, el litio nunca pierde contacto eléctrico con el material, Dice Li. Por lo tanto, toda la batería sólida puede permanecer mecánica y químicamente estable a lo largo de sus ciclos de uso. El equipo ha probado el concepto de forma experimental, someter un dispositivo de prueba a 100 ciclos de carga y descarga sin producir ninguna fractura de los sólidos.

Li dice que aunque muchos otros grupos están trabajando en lo que llaman baterías sólidas, la mayoría de esos sistemas funcionan mejor con algo de electrolito líquido mezclado con el material de electrolito sólido. "Pero en nuestro caso, " él dice, "Es realmente todo sólido. No contiene líquido ni gel de ningún tipo".

El nuevo sistema podría conducir a ánodos seguros que pesen solo una cuarta parte de lo que pesan sus contrapartes convencionales en baterías de iones de litio. por la misma cantidad de capacidad de almacenamiento. Si se combina con nuevos conceptos para versiones ligeras del otro electrodo, el cátodo, este trabajo podría conducir a reducciones sustanciales en el peso total de las baterías de iones de litio. Por ejemplo, el equipo espera que pueda dar lugar a teléfonos móviles que puedan cargarse solo una vez cada tres días, sin hacer que los teléfonos sean más pesados ​​o voluminosos.

Otro equipo dirigido por Li describió un nuevo concepto para un cátodo más ligero, en un artículo que apareció el mes pasado en la revista Energía de la naturaleza , en coautoría con el postdoctorado del MIT Zhi Zhu y el estudiante de posgrado Daiwei Yu. El material reduciría el uso de níquel y cobalto, que son costosos y tóxicos y se utilizan en los cátodos actuales. El nuevo cátodo no depende solo de la contribución de capacidad de estos metales de transición en el ciclo de la batería. En lugar de, dependería más de la capacidad redox del oxígeno, que es mucho más ligero y abundante. Pero en este proceso los iones de oxígeno se vuelven más móviles, lo que puede hacer que escapen de las partículas del cátodo. Los investigadores utilizaron un tratamiento de superficie a alta temperatura con sal fundida para producir una capa superficial protectora sobre las partículas de óxido metálico rico en manganeso y litio. por lo que la cantidad de pérdida de oxígeno se reduce drásticamente.

Aunque la capa superficial es muy fina, solo de 5 a 20 nanómetros de espesor en una partícula de 400 nanómetros de ancho, proporciona una buena protección para el material subyacente. "Es casi como una inmunización, "Li dice, contra los efectos destructivos de la pérdida de oxígeno en baterías utilizadas a temperatura ambiente. Las presentes versiones proporcionan al menos una mejora del 50 por ciento en la cantidad de energía que se puede almacenar para un peso dado. con una estabilidad de ciclismo mucho mejor.

El equipo solo ha construido dispositivos pequeños a escala de laboratorio hasta ahora, pero "espero que esto se pueda ampliar muy rápidamente, "Li dice. Los materiales necesarios, principalmente manganeso, son significativamente más baratos que el níquel o el cobalto utilizados por otros sistemas, por lo que estos cátodos podrían costar tan poco como una quinta parte de lo que cuestan las versiones convencionales.