Académicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y de la Universidad Estatal de Florida (FSU) han presentado un proyecto para una tecnología de baterías de estado sólido menos dependiente de metales críticos que son difíciles de obtener debido a los problemas de la cadena de suministro mundial.
El informe conjutno de ambas instituciones de investigación se ha publicado recientemente en Science, y podría hacer avanzar las baterías de estado sólido para proporcionar celdas más eficientes y asequibles que las baterías de iones de litio.
Las baterías de estado sólido, famosas por su alta densidad energética y su mayor seguridad, podrían cambiar las reglas del juego del sector de los vehículos eléctricos (VE). La tecnología de estado sólido ha demostrado ser asequible y lo suficientemente conductora como para proporcionar cientos de kilómetros de autonomía con una sola carga de batería. Esto ha sido durante mucho tiempo una fuente de fricción para los conductores de VE en lo que se refiere a las baterías de litio y la “ansiedad de autonomía”.
“Con nuestro nuevo enfoque de las baterías de estado sólido, no hay que renunciar a la asequibilidad por el rendimiento. Nuestro trabajo es el primero que resuelve este problema diseñando un electrolito sólido no con un solo metal, sino con un equipo de metales asequibles”, afirma Yan Zeng, autor del informe y científico del grupo de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley.
En las pilas de iones de litio tradicionales, el electrolito funciona como un centro de transferencia donde los iones fluyen con la carga eléctrica para alimentar un dispositivo o recargar la pila.
Al igual que las baterías de iones de litio, las de estado sólido almacenan energía y luego la liberan para alimentar dispositivos. Pero en lugar de los electrolitos líquidos o de gel polímero de las baterías de iones de litio, utilizan un electrolito sólido.
El gobierno, los investigadores y el mundo académico han invertido en la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido porque las baterías comerciales han sido históricamente propensas al sobrecalentamiento, el fuego y el riesgo de pérdida de carga, principalmente en relación con el electrolito líquido.
Las baterías de estado sólido que se fabrican actualmente se basan en metales caros y no disponibles a granel, y muchos de ellos, como el cobalto, se producen en regiones del mundo con alto riesgo geopolítico.
Para el estudio actual, Zeng, en colaboración con Bin Ouyang, profesor adjunto de química y bioquímica de la FSU, y el autor principal Gerbrand Ceder, científico titular del Laboratorio Berkeley y profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de California en Berkeley (UCB), presentaron un nuevo tipo de electrolito sólido compuesto por una mezcla de varios elementos metálicos.
Los nuevos materiales podrían dar lugar a un electrolito sólido más conductor y menos dependiente de una gran cantidad de un elemento individual.
En experimentos realizados en el Laboratorio Berkeley y en el campus de la UCB, los investigadores demostraron el nuevo electrolito sólido sintetizando y probando varios materiales de iones de litio e iones de sodio con múltiples metales mezclados.
Los investigadores observaron que los nuevos materiales multimetálicos funcionaban mejor de lo esperado, mostrando una conductividad iónica varios órdenes de magnitud superior a la de los materiales monometálicos de las baterías de estado sólido. La conductividad iónica es una medida de la rapidez con la que los iones de litio se mueven para conducir la carga eléctrica.
Los investigadores teorizaron que la mezcla de distintos metales crea nuevas vías -como la adición de vías rápidas en una autopista congestionada- a través de las cuales los iones de litio pueden moverse rápidamente por el electrolito. Sin estas vías, el movimiento de los iones de litio sería lento y limitado cuando viajan por el electrolito de un extremo a otro de la batería, explicó Zeng.
Para validar las mezclas del diseño multimetal, los investigadores realizaron cálculos basados en un método llamado teoría del funcional de la densidad en superordenadores del Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación Energética (NERSC). Mediante microscopios electrónicos de transmisión y barrido (STEM), el equipo confirmó que cada electrolito está formado por un solo tipo de material -lo que los científicos denominan una “fase única”- con distorsiones inusuales que dan lugar a las nuevas vías de transporte de iones en su estructura cristalina.
El descubrimiento abre nuevas oportunidades para diseñar conductores iónicos de nueva generación. El siguiente paso en esta investigación es aplicar el nuevo enfoque que Zeng desarrolló con Ceder en el Laboratorio Berkeley para explorar y descubrir nuevos materiales de electrolitos sólidos que puedan mejorar el rendimiento de las baterías.
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