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TECNOLOGÍA

Desarrollan una nueva batería de estado sólido que podría revolucionar el mercado

Desarrollan una nueva batería de estado sólido que podría revolucionar el mercado
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(Foto: Pixabay)
EL IMPARCIAL
viernes 24 de septiembre de 2021, 18:45h

Un equipo de ingenieros ha desarrollado un nuevo tipo de batería que entrelaza un electrolito de estado sólido como un ánodo de silicio, lo que la convierte en una batería de estado sólido de silicio. Las rondas iniciales de pruebas muestran que la nueva batería es segura, duradera y densa en energía. Es prometedor para una amplia gama de aplicaciones, desde almacenamiento en red hasta vehículos eléctricos. La revista Science recoge este prometedor trabajo, fruto de una colaboración entre nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego e investigadores de LG.

Los ánodos de silicio son famosos por su densidad de energía, que es 10 veces mayor que los ánodos de grafito que se utilizan con mayor frecuencia en las baterías comerciales de iones de litio de la actualidad. Por otro lado, los ánodos de silicio son famosos por la forma en que se expanden y contraen a medida que la batería se carga y descarga, y por cómo se degradan con los electrolitos líquidos. Estos desafíos han mantenido a los ánodos totalmente de silicio fuera de las baterías comerciales de iones de litio a pesar de la tentadora densidad de energía. El nuevo trabajo publicado en Science proporciona un camino prometedor para los ánodos totalmente de silicio, gracias al electrolito adecuado.

"Con esta configuración de batería, estamos abriendo un nuevo territorio para las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de aleación como el silicio", dijo Darren HS Tan, autor principal del artículo. Recientemente completó su doctorado en ingeniería química en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y cofundó una startup UNIGRID Battery que ha obtenido la licencia de esta tecnología.

Las baterías de estado sólido de próxima generación con altas densidades de energía siempre se han basado en el litio metálico como ánodo. Pero eso impone restricciones en las tasas de carga de la batería y la necesidad de temperatura elevada (generalmente 60 grados Celsius o más) durante la carga. El ánodo de silicio supera estas limitaciones, lo que permite velocidades de carga mucho más rápidas en la habitación a temperaturas bajas, al tiempo que mantiene altas densidades de energía.

El equipo demostró una celda completa a escala de laboratorio que ofrece 500 ciclos de carga y descarga con una retención de capacidad del 80% a temperatura ambiente, lo que representa un progreso emocionante para las comunidades de baterías de estado sólido y ánodo de silicio.

Silicio como ánodo para reemplazar el grafito

Los ánodos de silicio, por supuesto, no son nuevos. Durante décadas, los científicos y los fabricantes de baterías han considerado el silicio como un material denso en energía para mezclar o reemplazar por completo los ánodos de grafito convencionales en las baterías de iones de litio. En teoría, el silicio ofrece aproximadamente 10 veces la capacidad de almacenamiento del grafito. Sin embargo, en la práctica, las baterías de iones de litio con silicio agregado al ánodo para aumentar la densidad de energía generalmente sufren problemas de rendimiento en el mundo real: en particular, la cantidad de veces que la batería se puede cargar y descargar mientras se mantiene el rendimiento no es lo suficientemente alta.

Gran parte del problema se debe a la interacción entre los ánodos de silicio y los electrolitos líquidos con los que se han emparejado. La situación se complica por la expansión de gran volumen de partículas de silicio durante la carga y descarga. Esto da como resultado graves pérdidas de capacidad a lo largo del tiempo.

"Como investigadores de baterías, es vital abordar los problemas de raíz en el sistema. Para los ánodos de silicio, sabemos que uno de los grandes problemas es la inestabilidad de la interfaz del electrolito líquido", indica Shirley Meng, profesora de nanoingeniería de UC San Diego y autora correspondiente del artículo de Science y directora del Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales de UC San. Diego. "Necesitábamos un enfoque totalmente diferente", asegura.

De hecho, el equipo adoptó un enfoque diferente: eliminaron el carbono y los aglutinantes que iban con los ánodos totalmente de silicio. Además, los investigadores utilizaron micro-silicio, que es menos procesado y menos costoso que el nano-silicio que se usa con más frecuencia.

Una solución de estado sólido

Además de eliminar todo el carbono y los aglutinantes del ánodo, el equipo también eliminó el electrolito líquido. En su lugar, utilizaron un electrolito sólido a base de sulfuro. Sus experimentos demostraron que este electrolito sólido es extremadamente estable en baterías con ánodos totalmente de silicio.

"Este nuevo trabajo ofrece una solución prometedora al problema del ánodo de silicio, aunque hay más trabajo por hacer", apunta Meng, "Veo este proyecto como una validación de nuestro enfoque de la investigación de baterías aquí en UC San Diego. trabajo teórico y experimental más riguroso con creatividad y pensamiento innovador. También sabemos cómo interactuar con socios de la industria mientras perseguimos desafíos fundamentales difíciles".

Los esfuerzos anteriores para comercializar ánodos de aleación de silicio se centran principalmente en compuestos de silicio-grafito o en la combinación de partículas nanoestructuradas con aglutinantes poliméricos. Pero todavía luchan con la mala estabilidad. Al cambiar el electrolito líquido por un electrolito sólido y, al mismo tiempo, eliminar el carbono y los aglutinantes del ánodo de silicio, los investigadores evitaron una serie de desafíos relacionados que surgen cuando los ánodos se empapan en el electrolito líquido orgánico mientras funciona la batería.

Al mismo tiempo, al eliminar el carbono en el ánodo, el equipo redujo significativamente el contacto interfacial (y las reacciones secundarias no deseadas) con el electrolito sólido, evitando la pérdida continua de capacidad que suele ocurrir con los electrolitos de base líquida. Este movimiento en dos partes permitió a los investigadores aprovechar completamente los beneficios de las propiedades del silicio de bajo costo, alta energía y ambientalmente benignas.

Comercialización

"El enfoque del silicio de estado sólido supera muchas limitaciones en las baterías convencionales. Nos presenta oportunidades interesantes para satisfacer las demandas del mercado de energía volumétrica más alta, costos reducidos y baterías más seguras, especialmente para el almacenamiento de energía en la red", señala Darren HS Tan, el primer autor del artículo de Science.

A menudo se creía que los electrolitos sólidos a base de sulfuro eran muy inestables. Sin embargo, esto se basó en las interpretaciones termodinámicas tradicionales utilizadas en los sistemas de electrolitos líquidos, que no tuvieron en cuenta la excelente estabilidad cinética de los electrolitos sólidos. El equipo vio la oportunidad de utilizar esta propiedad contradictoria para crear un ánodo altamente estable.

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