Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Tennessee, Knoxville, descubrieron un material clave necesario para las baterías de iones de litio de carga rápida. El enfoque comercialmente relevante abre un camino potencial para mejorar las velocidades de carga de los vehículos eléctricos.

Las baterías de iones de litio, o LIB, juegan un papel esencial en la cartera de tecnologías de energía limpia de la nación. La mayoría de los vehículos eléctricos híbridos y totalmente eléctricos utilizan LIB. Estas baterías recargables ofrecen ventajas en cuanto a confiabilidad y eficiencia porque pueden almacenar más energía, cargarse más rápido y durar más que las baterías de plomo-ácido tradicionales. Sin embargo, la tecnología aún se está desarrollando y se necesitan avances fundamentales para cumplir con las prioridades de mejorar el costo, el alcance y el tiempo de carga de las baterías de los vehículos eléctricos.

"Superar estos desafíos requerirá avances en materiales que sean más eficientes y métodos de síntesis que sean escalables para la industria", dijo Sheng Dai, miembro corporativo de ORNL y autor correspondiente.

Resultados publicados en Advanced Energy Materials demostrar un nuevo material de ánodo de batería de carga rápida logrado mediante el uso de un método de síntesis escalable. El equipo descubrió un nuevo compuesto de molibdeno-tungsteno-niobato, o MWNO, con recarga rápida y alta eficiencia que potencialmente podría reemplazar al grafito en las baterías comerciales.

Durante décadas, el grafito ha sido el mejor material utilizado para fabricar ánodos LIB. En el diseño básico de una batería, dos electrodos sólidos, un ánodo positivo y un cátodo negativo, están conectados por una solución de electrolito y un separador. En las LIB, los iones de litio se mueven de un lado a otro entre el cátodo y el ánodo para almacenar y liberar energía que alimenta los dispositivos. Un desafío para los ánodos de grafito es que el electrolito se descompone y forma una acumulación en la superficie del ánodo durante el proceso de carga. Esta acumulación ralentiza el movimiento de los iones de litio y puede limitar la estabilidad y el rendimiento de la batería.

"Debido a este lento movimiento de iones de litio, los ánodos de grafito se consideran un obstáculo para la carga extremadamente rápida. Estamos buscando materiales nuevos y de bajo costo que puedan superar al grafito", dijo el investigador postdoctoral ORNL y primer autor Runming Tao. El objetivo de carga extremadamente rápida del DOE para vehículos eléctricos se establece en 15 minutos o menos para competir con los tiempos de reabastecimiento de combustible en vehículos a gasolina, un hito que no se ha alcanzado con el grafito.

"Nuestro enfoque se centra en materiales que no son de grafito, pero estos también tienen limitaciones. Algunos de los materiales más prometedores, los óxidos a base de niobio, tienen métodos de síntesis complicados que no se adaptan bien a la industria", dijo Tao.

La síntesis convencional de óxidos de niobio, como el MWNO, es un proceso que consume mucha energía sobre una llama abierta y que también genera desechos tóxicos. Una alternativa práctica podría hacer que los materiales MWNO se conviertan en candidatos serios para baterías avanzadas. Los investigadores recurrieron al proceso sol-gel bien establecido, conocido por su seguridad y simplicidad. A diferencia de la síntesis convencional a alta temperatura, el proceso sol-gel es un método químico a baja temperatura para convertir una solución líquida en un material sólido o gel y se usa comúnmente para fabricar vidrios y cerámicas.

El equipo transformó una mezcla de líquido iónico y sales metálicas en un gel poroso que se trató con calor para mejorar las propiedades finales del material. La estrategia de baja energía también permite recuperar y reciclar el solvente líquido iónico utilizado como plantilla para MWNO.

"Este material funciona a un voltaje más alto que el grafito y no es propenso a formar lo que se llama una 'capa de electrolito sólido de pasivación' que ralentiza el movimiento de los iones de litio durante la carga. Su capacidad excepcional y velocidad de carga rápida, combinadas con una capacidad escalable método de síntesis, lo convierten en un candidato atractivo para futuros materiales de batería", dijo Tao.

La clave del éxito del material es una estructura nanoporosa que proporciona una conductividad eléctrica mejorada. El resultado ofrece menos resistencia al movimiento de iones de litio y electrones, lo que permite una recarga rápida.

"El estudio logra un método de síntesis escalable para un material MWNO competitivo y proporciona información fundamental sobre el diseño futuro de materiales de electrodos para una variedad de dispositivos de almacenamiento de energía", dijo Dai. + Explora más

Investigadores descubren un enfoque innovador para fabricar nuevos materiales para baterías de iones de litio