El profesor asistente Canepa cargando una muestra de NASICON en el difractómetro de rayos X. Crédito:Facultad de Diseño e Ingeniería de la NUS
Una batería recargable más segura, ecológica y económica para alimentar vehículos eléctricos, teléfonos móviles y muchas otras aplicaciones podría estar un paso más cerca después de un descubrimiento innovador realizado por investigadores de la NUS.
El equipo dirigido por el profesor asistente Pieremanuele (Piero) Canepa (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Diseño e Ingeniería de la NUS) ha identificado una nueva composición de electrolito sólido a base de iones de sodio que puede permitir la carga y descarga ultrarrápidas de la batería.
Su investigación se publicó recientemente en Nature Communications .
"Las baterías de iones de litio convencionales y ampliamente utilizadas están plagadas de problemas de seguridad, particularmente debido a la alta inflamabilidad de los electrolitos líquidos que contienen", dijo el profesor asistente Canepa.
"El desafío ha sido encontrar alternativas de estado sólido más seguras que puedan competir en términos de velocidad de carga, longevidad y capacidad de carga potencial".
Baterías más seguras y de alta capacidad
El uso de materiales cerámicos no inflamables, conocidos como electrolitos sólidos, para crear una batería completamente de estado sólido ha sido ampliamente considerado por los investigadores como la mejor perspectiva para ofrecer baterías más seguras y de alta capacidad necesarias para satisfacer las demandas energéticas de un futuro con bajas emisiones de carbono.
La dificultad ha estado en desarrollar la composición adecuada de material cerámico capaz de ofrecer un rendimiento que compita con los electrolitos líquidos inflamables de las baterías comerciales de iones de litio.
La nueva composición de estado sólido desarrollada por el equipo de NUS utiliza una clase de electrolitos sólidos conocidos como NASICON (o superconductores iónicos de sodio) que fueron descubiertos por primera vez hace unas cuatro décadas por Hong y Goodenough, el Premio Nobel de Química de 2019.
Además de ser más segura, al usar sodio en lugar de litio, la batería tiene el beneficio adicional de ser más económica y fácil de producir.
"La mayor parte del litio del mundo, que es un elemento bastante raro en sí mismo, proviene de unos pocos lugares, principalmente de Chile, Bolivia y Australia", dijo el profesor adjunto Canepa. "Sin embargo, usar una batería que depende del sodio es mucho más eficiente, ya que el sodio se puede extraer fácilmente e incluso de forma limpia, incluso en un lugar pequeño como aquí en Singapur".
Enfoque avanzado
El equipo del profesor asistente Canepa realizó el descubrimiento utilizando un enfoque de abajo hacia arriba que involucró primero el desarrollo de un modelo teórico a escala atómica de la composición cerámica de NASICON utilizando supercomputadoras de alta potencia y algoritmos novedosos desarrollados por el mismo equipo.
La composición diseñada fue luego sintetizada, caracterizada y probada experimentalmente por el equipo del profesor Masquelier en el CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, en Amiens, Francia. La velocidad del movimiento de iones en la nueva composición de NASICON se midió luego en NUS y en el Instituto de Investigación de Energía y Clima, en Jülich, Alemania.
"El método que utilizamos permite a los investigadores acelerar el desarrollo y la optimización de nuevos electrolitos sólidos para baterías de estado sólido, que son cruciales para lograr baterías más seguras con alta densidad de potencia", dijo el profesor asistente Canepa.
"Creemos que este enfoque avanzado será fundamental para desarrollar la próxima generación de tecnologías de almacenamiento de energía limpia".
La próxima etapa de la investigación, en la que el equipo está trabajando ahora, se centrará en desarrollar una batería sólida de tamaño completo utilizando la cerámica NASICON y demostrar su rendimiento de carga y descarga.
El profesor adjunto Canepa dirige el Laboratorio de Investigación Canepa en NUS, que aprovecha el poder de las supercomputadoras y los algoritmos de simulación avanzados para ampliar los límites en la transformación y el almacenamiento de energía limpia.
Investigación de Canepa Lab sobre baterías de estado sólido
En un estudio relacionado, los investigadores de Canepa Lab examinaron uno de los desafíos clave en el desarrollo de baterías de estado sólido:la interfaz entre el ánodo de metal alcalino y el electrolito sólido, que a menudo es inestable y causa fallas en la batería. .
La estabilidad de esta interfaz depende de las propiedades de la capa intermedia químicamente distinta que se forma en el límite, conocida como interfase de electrolito sólido.
En su estudio, publicado recientemente en la revista PRX Energy , el equipo dirigido por el investigador Yuheng Li, estudió la interfaz de la batería entre un ánodo de metal de litio y un electrolito sólido bien conocido, en el que se forma una interfase autolimitante y estable.
Para comprender el origen de esta estabilidad, los autores utilizaron simulaciones a escala atómica para modelar la conductividad electrónica de la interfase. Descubrieron que la interfase es aislante electrónicamente y, por lo tanto, detiene la formación progresiva de sí misma y estabiliza la interfaz.
El equipo dice que sus hallazgos proporcionan pautas de diseño sobre interfaces de batería estables, lo que ayuda a acelerar la comercialización de baterías de estado sólido seguras y de alto rendimiento. Nuevo camino para el diseño de baterías basadas en polímeros de próxima generación
