Crédito:Universidad de California - San Diego
Cuando se trata de baterías, siempre hay áreas de mejora:ha comenzado la carrera para desarrollar baterías más baratas, más seguro larga duración, más denso en energía, y fácilmente reciclable.
En un artículo de revisión publicado en la edición de marzo de 2020 de Nanotecnología de la naturaleza , Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego ofrecen una hoja de ruta de investigación que incluye cuatro desafíos que deben abordarse para hacer avanzar una clase prometedora de baterías, todas las baterías de estado sólido, hacia la comercialización. Este artículo resume el trabajo del equipo para abordar estos desafíos durante los últimos tres años, que han sido reportados en varios artículos revisados por pares publicados en varias revistas.
A diferencia de las baterías de iones de litio recargables actuales, que contienen electrolitos líquidos que a menudo son inflamables, las baterías con electrolitos sólidos ofrecen la posibilidad de una mayor seguridad, además de una amplia gama de beneficios, incluida una mayor densidad de energía.
En el Nanotecnología de la naturaleza artículo de revisión, los investigadores se centran en electrolitos sólidos inorgánicos como los óxidos cerámicos o los vidrios de sulfuro. Los electrolitos sólidos inorgánicos son una clase relativamente nueva de electrolitos sólidos para baterías totalmente de estado sólido (en contraste con los electrolitos sólidos orgánicos que se investigan más extensamente).
Hoja de ruta:electrolitos inorgánicos para baterías totalmente de estado sólido
El siguiente es un esquema de la hoja de ruta que los investigadores describen en su artículo de revisión:
"Es fundamental que demos un paso atrás y pensemos en cómo abordar estos desafíos simultáneamente porque todos están interrelacionados, "dijo Shirley Meng, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego. "Si vamos a cumplir la promesa de baterías totalmente de estado sólido, debemos encontrar soluciones que aborden todos estos desafíos al mismo tiempo ".
Como director del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego y director del Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales de UC San Diego, Meng es un miembro clave de un grupo de investigadores a la vanguardia de toda la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido en UC San Diego.
Creación de interfaces químicas de electrolitos sólidos estables
Los electrolitos de estado sólido han recorrido un largo camino desde sus inicios, cuando los primeros electrolitos descubiertos tenían valores de conductividad demasiado bajos para aplicaciones prácticas. Los electrolitos de estado sólido avanzados de hoy muestran conductividades que superan incluso las de los electrolitos líquidos convencionales que se utilizan en las baterías actuales (superiores a 10 mS cm -1 ). La conductividad iónica se refiere a la rapidez con la que los iones de litio pueden moverse dentro del electrolito.
Desafortunadamente, la mayoría de los electrolitos sólidos altamente conductivos reportados son a menudo electroquímicamente inestables y enfrentan problemas cuando se aplican contra materiales de electrodos usados en baterías.
"En este punto, debemos desviar nuestro enfoque de perseguir una conductividad iónica más alta. En lugar de, deberíamos centrarnos en la estabilidad entre electrolitos y electrodos de estado sólido, "dijo Meng.
Si la conductividad iónica es análoga a la rapidez con la que se puede conducir un automóvil, luego, la estabilidad de la interfaz se refiere a lo difícil que es atravesar el tráfico de las horas pico. No importa qué tan rápido pueda ir su automóvil si está atascado en el tráfico camino al trabajo.
Investigadores de UC San Diego abordaron recientemente este cuello de botella en la estabilidad de la interfaz, demostrando cómo estabilizar la interfaz electrodo-electrolito y mejorar el rendimiento de la batería utilizando electrolitos sólidos con conductividades iónicas moderadas pero que exhiben interfaces estables.
Nuevas herramientas para en operando diagnóstico y caracterización
¿Por qué fallan las baterías? ¿Por qué ocurre el cortocircuito? El proceso de comprender lo que sucede dentro de una batería requiere una caracterización hasta la nanoescala, idealmente en tiempo real. Para baterías totalmente de estado sólido, esto es inmensamente desafiante.
La caracterización de la batería generalmente se basa en el uso de sondas como rayos X, o microscopía electrónica u óptica. En baterías comerciales de iones de litio, los electrolitos líquidos utilizados son transparentes, permitiendo la observación de varios fenómenos en los respectivos electrodos. En algunos casos, este líquido también se puede lavar para proporcionar una superficie más limpia para una caracterización de mayor resolución.
"Nos resulta mucho más fácil observar las baterías de iones de litio actuales. Pero en las baterías de estado sólido, todo es sólido o enterrado. Si prueba las mismas técnicas para baterías totalmente de estado sólido, es como intentar ver a través de una pared de ladrillos "dijo Darren H. S. Tan, un doctorado en nanoingeniería candidato en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.
Además, Los electrolitos sólidos y el metal de litio utilizados en las baterías de estado sólido pueden ser sensibles al daño por haz de electrones. Esto significa que las técnicas estándar de microscopía electrónica utilizadas para estudiar baterías dañarían los materiales de interés antes de que puedan observarse y caracterizarse.
Una forma en que los investigadores de UC San Diego están superando estos desafíos es utilizando métodos criogénicos para mantener fríos los materiales de la batería. mitigar su descomposición bajo la sonda del microscopio electrónico.
Otra herramienta utilizada para superar los obstáculos de caracterizar las interfaces de electrolitos sólidos es la tomografía de rayos X. Esto es similar a lo que sufren los humanos durante sus chequeos médicos. El enfoque se utilizó en un artículo reciente que informa sobre la observación, sin abrir ni interrumpir la batería en sí, de dendritas de litio enterradas dentro del electrolito sólido.
Capacidad de fabricación escalable y rentable
Los avances en la investigación de baterías a menudo no significan mucho si no son escalables. Esto incluye avances para baterías totalmente de estado sólido. Si esta clase de baterías va a ingresar al mercado en los próximos años, La comunidad de baterías necesita formas de fabricar y manipular los materiales de sus componentes sensibles de manera rentable y a gran escala.
Durante las ultimas décadas, Los investigadores han desarrollado, en el laboratorio, varios materiales de electrolitos sólidos que exhiben propiedades químicas ideales para las baterías. Desafortunadamente, muchos de estos materiales prometedores son demasiado costosos o demasiado difíciles de escalar para la fabricación de grandes volúmenes. Por ejemplo, muchos se vuelven muy frágiles cuando se hacen lo suficientemente delgados para la fabricación de rollo a rollo, que exige espesores inferiores a 30 micrómetros.
Adicionalmente, los métodos para producir electrolitos sólidos a mayor escala no están bien establecidos. Por ejemplo, la mayoría de los protocolos de síntesis requieren múltiples procesos energéticos que incluyen múltiples molienda, Pasos de proceso de recocido térmico y solución.
Para superar tales limitaciones, Los investigadores de UC San Diego están fusionando múltiples campos de experiencia. Combinan la cerámica utilizada en las ciencias de los materiales tradicionales con los polímeros utilizados en la química orgánica para desarrollar electrolitos sólidos flexibles y estables que sean compatibles con los procesos de fabricación escalables. Para abordar los problemas de síntesis de materiales, el equipo también informa cómo los materiales de electrolitos sólidos se pueden producir a escala mediante la fabricación de un solo paso sin la necesidad de pasos de recocido adicionales.
Baterías diseñadas para ser recicladas
Las baterías gastadas contienen materiales valiosos y de abundancia limitada, como litio y cobalto, que se pueden reutilizar.
Cuando llegan al final de sus ciclos de vida, estas baterías necesitan ir a alguna parte, o simplemente se acumularán con el tiempo como desperdicio.
Los métodos de reciclaje de hoy, sin embargo, a menudo son caras, intensivo en energía y tiempo, e incluyen productos químicos tóxicos para su procesamiento. Es más, Estos métodos solo recuperan una pequeña fracción de los materiales de la batería debido a las bajas tasas de reciclaje de electrolitos. sales de litio, separador, aditivos y materiales de envasado. En gran parte, esto se debe a que las baterías de hoy en día no se han diseñado teniendo en cuenta la reciclabilidad rentable desde el principio.
Los investigadores de UC San Diego están a la vanguardia de los esfuerzos para diseñar la reutilización y la reciclabilidad en las baterías de estado sólido del mañana.
"La reutilización y la reciclabilidad rentables deben incorporarse a los avances futuros que se necesitan para desarrollar baterías totalmente de estado sólido que proporcionen altas densidades de energía de 500 vatios-hora por kg o más, ", dijo el profesor de nanoingeniería de UC San Diego, Zheng Chen." Es fundamental que no cometamos los mismos errores de reciclabilidad que se cometieron con las baterías de iones de litio ".
Las baterías también deben diseñarse teniendo en cuenta su ciclo de vida completo. Esto significa diseñar baterías que deben permanecer en uso mucho después de que caigan por debajo del 60 al 80 por ciento de su capacidad original que a menudo marca el final de la vida útil de una batería. Esto se puede hacer explorando usos secundarios para baterías, como almacenamiento estacionario o energía de emergencia, extendiendo su vida útil antes de que finalmente lleguen a los centros de reciclaje.
Las baterías totalmente de estado sólido con electrolitos orgánicos ofrecen una gran promesa como tecnología de batería futura que ofrecerá una alta densidad de energía. la seguridad, Larga vida útil y reciclabilidad. Pero convertir estas posibilidades en realidades requerirá esfuerzos de investigación estratégica que consideren cómo los desafíos restantes, incluida la reciclabilidad, están interrelacionados.
