Los avances recientes en el desarrollo de vehículos híbridos y eléctricos han aumentado la necesidad de tecnologías de baterías de alto rendimiento. Por ello, equipos de investigación de todo el mundo han estado trabajando en una amplia gama de soluciones de baterías alternativas, al mismo tiempo que intentan identificar nuevos electrolitos prometedores para estas baterías.
Las baterías que contienen electrodos sólidos y un electrolito sólido, conocidas como baterías de estado sólido, podrían ser una solución alternativa viable de almacenamiento de energía para vehículos eléctricos. Sin embargo, los electrolitos cerámicos inorgánicos tradicionales y los electrolitos de polímeros orgánicos a menudo adolecen de una flexibilidad o propiedades mecánicas deficientes, lo que afecta negativamente al rendimiento de las baterías.
Investigadores de la Academia de Ciencias de China descubrieron recientemente nuevos electrolitos para baterías de estado sólido basados en una clase de vidrio inorgánico viscoelástico (VIGLAS). Su artículo, publicado en Nature Energy , muestra que estos electrolitos poseen características tanto de electrolitos orgánicos como inorgánicos y podrían mejorar significativamente la estabilidad de las celdas de baterías de estado sólido.
"Al principio queríamos encontrar un electrolito sólido inorgánico con un punto de fusión bajo para simplificar el proceso de montaje de la batería de estado sólido en un entorno de temperatura ligeramente elevada, similar a las baterías líquidas de iones de Na", explicó Yong Sheng Hu, uno de los dijeron los investigadores que llevaron a cabo el estudio a Tech Xplore.
"Basado en investigaciones anteriores sobre baterías de sales fundidas que utilizan LiAlCl4 /NaAlCl4 electrolito (que tiene el punto de fusión más bajo en las sales fundidas), intentamos encontrar algunos métodos para sustituir parcialmente los átomos de Cl para mejorar la conductividad iónica en el estado sólido. Finalmente, descubrimos que al introducir átomos de O para vitrificarlo, la conductividad iónica a temperatura ambiente podría mejorarse en tres órdenes de magnitud, e inesperadamente descubrimos que tiene una viscoelasticidad similar a la de los polímeros orgánicos."
El objetivo clave del trabajo reciente de Hu y sus colegas fue revelar nuevos electrolitos prometedores y escalables para baterías de estado sólido. En primer lugar, los investigadores sintetizaron sus electrolitos sólidos basados en VIGLAS, que se basan en el material MAlCl4-2x Bueyx (MACO, M=Li, Na, 0,5
"Los materiales VIGLAS poseen una alta conductividad iónica (~1 mS cm
-1
a 30°C) tanto para Li
+
y Na
+
, compatibilidad quimiomecánica superior con cátodos de 4,3 V, así como la capacidad de habilitar baterías de estado sólido basadas en Li y Na sin presión (<0,1 MPa)", explicó Hu. "La baja temperatura de fusión (<160 °C) permite que los electrolitos se infiltren eficientemente en los materiales de los electrodos de forma similar a una batería líquida. Además, la deformabilidad de los electrolitos facilita la viabilidad del escalado mediante la producción de películas delgadas mediante un proceso de laminación."
La clase de vidrio inorgánico identificada por este equipo de investigadores tiene una combinación única de propiedades similares a las inorgánicas, que incluyen una alta conductividad iónica, una fuerte resistencia a la oxidación y una característica flexible similar a la de un polímero que permite la compatibilidad con cátodos ampliamente utilizados. En las pruebas iniciales, los electrolitos basados en este vidrio lograron resultados muy prometedores, infiltrándose tanto en los materiales de los electrodos como en los electrolitos líquidos.
En particular, los electrolitos del equipo también podrían ser fáciles de ampliar y fabricarse utilizando los procesos de fabricación existentes. Al estar basados en materiales deformables, podrían producirse a gran escala mediante sencillos procesos de laminación.
"Demostramos que no existe un límite obvio entre los electrolitos de polímeros orgánicos y los electrolitos inorgánicos", añadió Hu. "Los electrolitos inorgánicos también pueden tener propiedades mecánicas similares a las de los polímeros, lo que permite crear celdas de estado sólido basadas en Li y Na sin presión. En nuestros próximos estudios, planeamos explorar otros electrolitos VIGLAS similares con Li/Na- Estabilidad del ánodo metálico."
Más información: Tao Dai et al, Electrolitos de vidrio inorgánicos con viscoelasticidad similar a un polímero, Nature Energy (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01356-y
Información de la revista: Energía de la naturaleza
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