La gente no le pide demasiado a las baterías:entregue energía cuando se necesite y durante el tiempo que se desee, recargue rápidamente y no estalle en llamas.

Una serie de incendios de teléfonos celulares en 2016 sacudió la confianza del consumidor en las baterías de iones de litio, una tecnología que ayudó a marcar el comienzo de la electrónica portátil moderna, pero que ha estado plagada de problemas de seguridad desde que se introdujo en la década de 1980. A medida que aumenta el interés por los vehículos eléctricos, Los investigadores y los conocedores de la industria están buscando una tecnología mejorada de baterías recargables que pueda alimentar automóviles de manera segura y confiable. vehículos autónomos, robótica y otros dispositivos de próxima generación.

La nueva investigación de Cornell avanza en el diseño de baterías de estado sólido, una tecnología que es intrínsecamente más segura y más densa en energía que las baterías de iones de litio actuales, que dependen de electrolitos líquidos inflamables para la transferencia rápida de energía química almacenada en enlaces moleculares a la electricidad. Al comenzar con electrolitos líquidos y luego transformarlos en polímeros sólidos dentro de la celda electroquímica, los investigadores aprovechan las propiedades tanto líquidas como sólidas para superar las limitaciones clave en los diseños actuales de baterías.

"Imagina un vaso lleno de cubitos de hielo:parte del hielo entrará en contacto con el vaso, pero hay lagunas, "dijo Qing Zhao, un investigador postdoctoral y autor principal del estudio, "Electrolitos de polímero de estado sólido con transporte interfacial rápido incorporado para baterías de litio secundarias, "publicado el 11 de marzo en Energía de la naturaleza .

"Pero si llenas el vaso con agua y lo congelas, las interfaces estarán completamente recubiertas, y establece una fuerte conexión entre la superficie sólida del vidrio y su contenido líquido, ", Dijo Qing." Este mismo concepto general en una batería facilita altas tasas de transferencia de iones a través de las superficies sólidas de un electrodo de batería a un electrolito sin necesidad de un líquido combustible para funcionar ".

La idea clave es la introducción de moléculas especiales capaces de iniciar la polimerización dentro de la celda electroquímica, sin comprometer otras funciones de la célula. Si el electrolito es un éter cíclico, el iniciador puede diseñarse para abrir el anillo, produciendo hebras de monómero reactivo que se unen para crear moléculas similares a cadenas largas con esencialmente la misma química que el éter. Este polímero ahora sólido conserva las conexiones estrechas en las interfaces metálicas, muy parecido al hielo dentro de un vaso.

Más allá de su relevancia para mejorar la seguridad de la batería, Los electrolitos de estado sólido también son beneficiosos para habilitar baterías de próxima generación que utilizan metales, incluyendo litio y aluminio, como ánodos para lograr mucho más almacenamiento de energía de lo que es posible en la tecnología de baterías de vanguardia actual. En este contexto, el electrolito de estado sólido evita que el metal forme dendritas, un fenómeno que puede provocar un cortocircuito en la batería y provocar un sobrecalentamiento y fallas.

A pesar de las ventajas percibidas de las baterías de estado sólido, Los intentos de la industria de producirlos a gran escala han tropezado con reveses. Los costos de fabricación son altos, y las malas propiedades interfaciales de diseños anteriores presentan importantes obstáculos técnicos. Un sistema de estado sólido también evita la necesidad de enfriamiento de la batería al proporcionar estabilidad a los cambios térmicos.

"Nuestros hallazgos abren un camino completamente nuevo para crear baterías prácticas de estado sólido que se pueden usar en una variedad de aplicaciones, "dijo la autora principal Lynden Archer, el Profesor Distinguido de Ingeniería de la Familia James A. Friend en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular.

Según Archer, La nueva estrategia in situ para crear electrolitos de polímeros sólidos es particularmente interesante porque promete extender la vida útil del ciclo y las capacidades de recarga de las baterías metálicas recargables de alta densidad de energía.

"Nuestro enfoque funciona para la tecnología de iones de litio actual al hacerla más segura, pero ofrece oportunidades para la tecnología de baterías en el futuro, "Dijo Archer.