Las baterías de estado sólido para vehículos eléctricos, que ofrecen una mayor densidad de energía y rango que las baterías de iones de litio contemporáneas, siguen estando fuera del alcance, sobre todo debido a los desafíos que surgen de la composición del cátodo de la batería. Una nueva composición del cátodo y la técnica de fabricación que lo acompaña parecen estar preparadas para superar este obstáculo.

Un artículo que describe el proceso de fabricación apareció en la revista Nano Research el 24 de marzo.

Las baterías recargables de estado sólido (las que son completamente sólidas, sin componentes líquidos) se han buscado durante mucho tiempo como la próxima generación de almacenamiento de energía, sobre todo para vehículos eléctricos y otras aplicaciones de mitigación climática. Serían más livianas, más densas en energía y ofrecerían un mayor alcance y una recarga más rápida que la generación actual de baterías de iones de litio.

El electrolito líquido utilizado en este último es el medio a través del cual fluye la corriente entre los electrodos positivo y negativo (el cátodo y el ánodo, respectivamente). Pero el líquido hace que la batería sea pesada. También es inflamable y los incendios no son una ocurrencia poco común. En una batería de estado sólido, un electrolito sólido hecho de cerámica, vidrio o un polímero es mucho más seguro, ya que no hay fugas ni salpicaduras durante el transporte, y ofrece densidad de potencia, ciclabilidad y vida útil mejoradas.

La clave para hacer que las baterías de estado sólido funcionen es diseñar un buen cátodo que sea capaz de un alto voltaje operativo y una gran capacidad de área. El último término describe la cantidad de carga de energía en una batería por unidad de área durante un período de tiempo determinado. La unidad comúnmente utilizada para describir esta cantidad es el miliamperio-hora (mAh), o la cantidad de carga de energía que permitirá que fluya un amperio de corriente durante una hora, en comparación con una determinada cantidad de área (normalmente medida en centímetros cuadrados, o cm ² ). En esencia, esta medida, mAh/cm ² , ofrece una indicación de cuánto durará una batería sin tener que recargarla, para la cantidad de espacio que ocupa en un dispositivo.

"La mayoría de las tecnologías de fabricación de cátodos compuestos que se han explorado hasta ahora dan como resultado baterías que ni siquiera igualan el rendimiento de las baterías comerciales existentes, y mucho menos las superan, alcanzando alrededor de 3 mAh/cm ² . ”, dijo Jizhang Chen de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Forestal de Nanjing y autor principal del artículo.

Estas tecnologías de cátodo también adolecen de la necesidad de agregar una cantidad excesiva de aglutinantes y agentes conductores para garantizar que todas las partículas activas se distribuyan uniformemente. Esto reduce la densidad del cátodo, aumenta el costo y también produce una gran resistencia en la interfaz del cátodo y el electrodo.

Por lo tanto, los investigadores desarrollaron una nueva composición de cátodo y una técnica de fabricación que supera estos desafíos al tiempo que ofrece una alta capacidad de área. La cantidad de aglutinantes y agentes conductores, en este caso hidróxido de litio y ácido bórico, se reduce sustancialmente (hasta aproximadamente el cuatro por ciento del peso total). Estos se utilizan como aditivos en el proceso de sinterización durante la formación del cátodo.

La sinterización es un método de compactar un polvo en una masa sólida mediante calor o presión sin derretirlo hasta el punto de convertirse en líquido. En este caso, sin embargo, queda una fase líquida para al menos algunos componentes, mientras que otros permanecen en polvo para impulsar la unión entre partículas.

El hidróxido de litio y el ácido bórico, con sus bajos puntos de fusión, se infiltran como líquidos en un polvo de un compuesto de litio rico en níquel (LiNi_0.8 Mn_0.1 Co_0.1 , o "NMC811") a una temperatura moderadamente elevada (alrededor de 350 ℃). Esto no solo permite un contacto físico íntimo entre las partículas de polvo, sino que también reduce la necesidad de una gran cantidad de aditivos y promueve un proceso de densificación.

El cátodo compuesto resultante ofreció un rendimiento prometedor, alcanzando una capacidad de área superior a 8 mAh/cm ² dentro de una amplia gama de voltajes de hasta 4,4 V. Se espera que esto se utilice para fabricar baterías de estado sólido con una densidad de energía de 500 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), superando fácilmente los 100-265 Wh/kg de energía densidad que ofrecen las baterías de iones de litio contemporáneas. + Explora más

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