Nueva tecnología en baterías impulsaría el vuelo y los autos eléctricos de largo alcance

La nueva tecnología de batería desarrollada en Berkeley Lab podría dar vuelo a los aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL) y a los autos eléctricos de largo alcance seguros y con sobrealimentación.

En la búsqueda de una batería recargable que pueda alimentar vehículos eléctricos durante cientos de kilometros con una sola carga, los científicos se han esforzado por reemplazar los ánodos de grafito que se usan actualmente en las baterías con ánodos de metal de litio.

Pero mientras que el metal de litio extiende el rango de conducción de un EV en un 30-50%, también acorta la vida útil de la batería debido a las dendritas de litio, pequeños defectos en forma de vetas que se forman en el ánodo de litio en el transcurso de muchos ciclos de carga y descarga. Lo que es peor, las dendritas provocan un cortocircuito en las celdas de la batería si entran en contacto con el cátodo.

Durante décadas, los investigadores asumieron que los electrolitos sólidos y duros, como los de cerámica, funcionarían mejor para evitar que las dendritas se abran paso a través de la celda. Pero el problema con ese enfoque es que no impidió que las dendritas se formaran o "nuclearan" en primer lugar, como pequeñas grietas en el parabrisas de un automóvil que eventualmente se extendien.

Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), en colaboración con la Universidad Carnegie Mellon, han informado en la revista Nature Materials una nueva clase de electrolitos sólidos blandos, hechos de polímeros y cerámicas, que suprimen las dendritas durante la etapa temprana de nucleación, antes de que puedan propagarse y hacer que la batería falle.

Las tecnologías de almacenamiento de energía de estado sólido, como las baterías de metal de litio de estado sólido, que utilizan tanto un electrodo como un electrolito sólido, pueden proporcionar una alta densidad de energía combinada con una excelente seguridad, pero la tecnología debe superar diversos materiales y desafíos de procesamiento.

"Nuestra tecnología de supresión de dendritas tiene implicaciones interesantes para la industria de las baterías", dijo el coautor Brett Helms, científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab. "Con él, los fabricantes de baterías pueden producir baterías de metal de litio más seguras con alta densidad de energía y una larga vida útil".

Helms agregó que las baterías de metal de litio fabricadas con el nuevo electrolito también podrían usarse para alimentar aviones eléctricos.

Un enfoque suave para la supresión de dendritas

La clave para el diseño de estos nuevos electrolitos sólidos suaves fue el uso de polímeros blandos de microporosidad intrínseca, o PIM, cuyos poros estaban llenos de partículas cerámicas de tamaño nanométrico. Debido a que el electrolito sigue siendo un material flexible, blando y sólido, los fabricantes de baterías podrán fabricar rollos de láminas de litio con el electrolito como laminado entre el ánodo y el separador de la batería. Estos subconjuntos de electrodos de litio, o LESA, son reemplazos atractivos para el ánodo de grafito convencional, lo que permite a los fabricantes de baterías usar sus líneas de ensamblaje existentes, dijo Helms.

Para demostrar las características de supresión de dendritas del nuevo electrolito compuesto PIM, el equipo de Helms usó rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab para crear imágenes tridimensionales de la interfaz entre el metal de litio y el electrolito, y para visualizar el revestimiento y la eliminación de litio. por hasta 16 horas a alta corriente. Se observó un crecimiento continuo y suave del litio cuando estaba presente el nuevo electrolito compuesto PIM, mientras que en su ausencia la interfaz mostró signos reveladores de las primeras etapas del crecimiento dendrítico.

Estos y otros datos confirmaron las predicciones de un nuevo modelo físico para la electrodeposición de litio metálico, que tiene en cuenta las características químicas y mecánicas de los electrolitos sólidos.

"En 2017, cuando la sabiduría convencional era que se necesitaba un electrolito duro, propusimos que un nuevo mecanismo de supresión de dendrita era posible con un electrolito sólido blando", dijo el coautor Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingeniería mecánica y miembro de la facultad en Scott Institute for Energy Innovation en la Carnegie Mellon University, quien dirigió los estudios teóricos para el trabajo. "Es sorprendente encontrar una materialización de este enfoque con los compuestos PIM".

Un galardonado bajo el programa IONICS de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), 24M Technologies, ha integrado estos materiales en baterías de mayor formato para EV y aviones eVTOL (despegue y aterrizaje vertical eléctrico).

"Si bien existen requisitos de potencia únicos para los EV y los eVTOL, la tecnología de electrolitos sólidos compuestos PIM parece ser versátil y permite una alta potencia", dijo Helms.

Fuente: techxplore.com, Lawrence Berkeley National Laboratory