09.01.2020 - Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM)

Electrolitos sólidos muy prometedores para baterías de iones de litio de alto rendimiento

Los dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento y larga duración son de crucial importancia para muchas tecnologías orientadas al futuro: por ejemplo, para la electromovilidad, para dispositivos finales móviles como tabletas y teléfonos inteligentes, así como para el uso eficiente de la energía procedente de fuentes renovables. El Dr. Daniel Mutter de la Fraunhofer IWM pudo aclarar cuál debe ser la composición química de los electrolitos cerámicos sólidos para asegurar un buen rendimiento en las baterías de iones de litio. Estos electrolitos sólidos son más respetuosos con el medio ambiente que los electrolitos líquidos tradicionales y podrían hacer que las baterías de iones de litio fueran significativamente más seguras y eficientes.

"La idea de que los electrolitos cerámicos sólidos puedan ser una alternativa muy prometedora a los electrolitos líquidos tradicionales en baterías y acumuladores no es algo nuevo en la ciencia de los materiales", explica el Dr. Daniel Mutter, científico del grupo de Modelado de Materiales del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales (IWM) de Friburgo. En comparación con los electrolitos líquidos tradicionales, los electrolitos sólidos son más seguros durante el funcionamiento continuo: presentan un riesgo de explosión mucho menor y, en caso de daños -por ejemplo, debido a un accidente-, no hay liberación de ácido, que de otro modo podría causar quemaduras e intoxicaciones.

Compuestos químicos adecuados para los electrolitos sólidos descubiertos

En general, la conductividad iónica de los materiales cerámicos es menor que la de los electrolitos líquidos. Sin embargo, la clase de las llamadas cerámicas NZP promete un alto grado de conductividad iónica: su organización estructural permite la existencia de "caminos de migración" por los que los iones de litio pueden viajar fácilmente. Esto los convierte en un candidato interesante para los electrolitos sólidos de alto rendimiento en las baterías de iones de litio.

Sin embargo, lo que no estaba claro hasta ahora era por qué ciertos compuestos son más eficientes que otros y qué compuestos funcionan realmente bien. Los requisitos para las propiedades materiales de los electrolitos de las baterías son estrictos: su conductividad iónica debe ser alta y los elementos químicos utilizados deben ser no tóxicos y estar disponibles en abundancia en la corteza terrestre.

El Dr. Mutter utilizó simulaciones atomísticas para identificar varias combinaciones de elementos químicos para las cerámicas NZP que son particularmente prometedoras en vista de estos requisitos. "Esta investigación por ordenador nos permite hacer afirmaciones definitivas sobre las propiedades y la estabilidad de diversos compuestos químicos sin tener que sintetizarlos en un laboratorio", explica el investigador. El beneficio: la síntesis real es costosa y requiere recursos. Realizó las simulaciones en el mainframe del Centro de Supercomputación Steinbuch del Instituto de Tecnología de Karlsruhe.

Tiempos de carga más cortos y más largos Funcionamiento

"Potencialmente podemos combinar estos electrolitos cerámicos sólidos especialmente prometedores con ánodos de litio-metal muy eficientes -lo que no es posible con los electrolitos líquidos que se utilizan hoy en día, porque éstos reaccionan violentamente con el litio metálico y dañan la batería en el proceso", explica el Dr. Mutter. "En el siguiente paso, podríamos realizar pruebas prácticas con nuestros socios para verificar si nuestros materiales electrolíticos previstos aumentan la conductividad iónica tan significativamente como se espera, y si las baterías que utilizan estos electrolitos son capaces de lograr una densidad de energía y potencia mucho más alta", dice el físico. Más concretamente, esto significaría: tiempos de carga más cortos combinados con un funcionamiento más prolongado, lo que sería especialmente beneficioso para la electromovilidad. Además, esta configuración también significaría una reducción del peso de la batería, ya que los ánodos de litio-metal son significativamente más ligeros para la misma capacidad que los ánodos de grafito utilizados anteriormente.

Baterías más ligeras hechas con elementos que se encuentran en abundancia

Los elementos químicos que componen los materiales electrolíticos investigados por el Dr. Mutter están disponibles en abundancia en la corteza terrestre de Europa y, en comparación, son fácilmente degradables. Esto elimina la necesidad de ciertos elementos como el cobalto, que se utiliza en las baterías de iones de litio de los teléfonos inteligentes y que a menudo se importa del Congo.

Más allá de predecir composiciones de materiales altamente prometedoras, la investigación del Dr. Mutter contribuye a mejorar nuestra comprensión de los procesos atómicos en las cerámicas NZP. Pudo establecer que la energía de migración necesaria para la migración de los iones de litio depende del entorno de oxígeno que rodea la ruta de migración de los iones de una manera diferente a la que se pensaba anteriormente. Las relaciones estructura-propiedad identificadas nos permiten hacer predicciones significativamente más fundamentadas sobre los efectos de las asignaciones de elementos fundamentales en el marco estructural, así como la conductividad iónica de las cerámicas NZP.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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