06.02.2020 - Massachusetts Institute of Technology

El nuevo diseño de los electrodos puede conducir a baterías más potentes

Las nuevas investigaciones de los ingenieros del MIT y de otros lugares podrían dar lugar a baterías que puedan acumular más energía por libra y durar más tiempo, basándose en el objetivo largamente buscado de utilizar metal de litio puro como uno de los dos electrodos de la batería, el ánodo.

El nuevo concepto de electrodo proviene del laboratorio de Ju Li, el profesor de ciencias e ingeniería nuclear de la Alianza Energética de Battelle y profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Se describe en la revista Nature, en un artículo del que son coautores Yuming Chen y Ziqiang Wang en el MIT, junto con otros 11 en el MIT y en Hong Kong, Florida y Texas.

El diseño es parte de un concepto para desarrollar baterías seguras de estado sólido, prescindiendo del gel líquido o polimérico que se utiliza habitualmente como material electrolítico entre los dos electrodos de la batería. Un electrolito permite que los iones de litio viajen de un lado a otro durante los ciclos de carga y descarga de la batería, y una versión totalmente sólida podría ser más segura que los electrolitos líquidos, que tienen una gran volatilidad y han sido la fuente de explosiones en las baterías de litio.

"Se ha trabajado mucho en las baterías de estado sólido, con electrodos de metal de litio y electrolitos sólidos", dice Li, pero estos esfuerzos se han enfrentado a una serie de problemas.

Uno de los mayores problemas es que cuando la batería se carga, los átomos se acumulan dentro del metal de litio, causando que se expanda. El metal se encoge de nuevo durante la descarga, a medida que se utiliza la batería. Estos cambios repetidos en las dimensiones del metal, algo así como el proceso de inhalación y exhalación, dificultan que los sólidos mantengan un contacto constante y tienden a causar que el electrolito sólido se fracture o se desprenda.

Otro problema es que ninguno de los electrolitos sólidos propuestos son realmente estables químicamente mientras están en contacto con el metal de litio altamente reactivo, y tienden a degradarse con el tiempo.

La mayoría de los intentos de superar estos problemas se han centrado en el diseño de materiales electrolíticos sólidos que sean absolutamente estables frente al metal de litio, lo que resulta difícil. En su lugar, Li y su equipo adoptaron un diseño inusual que utiliza dos clases adicionales de sólidos, "conductores iónicos-electrónicos mixtos" (MIEC) y "aisladores de electrones y de iones de litio" (ELI), que son absolutamente estables químicamente en contacto con el metal de litio.

Los investigadores desarrollaron una nanoarquitectura tridimensional en forma de un conjunto de tubos hexagonales de MIEC en forma de panal, parcialmente impregnados con el metal de litio sólido para formar un electrodo de la batería, pero con espacio extra en el interior de cada tubo. Cuando el litio se expande en el proceso de carga, fluye hacia el espacio vacío en el interior de los tubos, moviéndose como un líquido aunque retenga su estructura cristalina sólida. Este flujo, totalmente confinado dentro de la estructura de panal, alivia la presión de la expansión causada por la carga, pero sin cambiar las dimensiones externas del electrodo o el límite entre el electrodo y el electrolito. El otro material, el ELI, sirve como un aglutinante mecánico crucial entre las paredes del MIEC y la capa de electrolito sólido.

"Diseñamos esta estructura que nos da electrodos tridimensionales, como un panal de abejas", dice Li. Los espacios vacíos en cada tubo de la estructura permiten que el litio se "arrastre hacia atrás" dentro de los tubos, "y de esa manera, no se acumula tensión para romper el electrolito sólido". El litio que se expande y contrae dentro de estos tubos se mueve hacia adentro y hacia afuera, como los pistones del motor de un auto dentro de sus cilindros. Debido a que estas estructuras están construidas en dimensiones de nanoescala (los tubos tienen un diámetro de unos 100 a 300 nanómetros, y decenas de micrones de altura), el resultado es como "un motor con 10.000 millones de pistones, con el metal de litio como fluido de trabajo", dice Li.

Debido a que las paredes de estas estructuras en forma de panal están hechas de MIEC químicamente estable, el litio nunca pierde el contacto eléctrico con el material, dice Li. Así, toda la batería sólida puede permanecer mecánica y químicamente estable a medida que pasa por sus ciclos de uso. El equipo ha probado el concepto experimentalmente, poniendo un dispositivo de prueba a través de 100 ciclos de carga y descarga sin producir ninguna fractura de los sólidos.

Li dice que aunque muchos otros grupos están trabajando en lo que llaman baterías sólidas, la mayoría de esos sistemas funcionan mejor con algún electrolito líquido mezclado con el material electrolítico sólido. "Pero en nuestro caso", dice, "es verdaderamente todo sólido. No hay ningún líquido o gel en ella de ningún tipo."

El nuevo sistema podría dar lugar a ánodos seguros que pesan sólo una cuarta parte de lo que pesan sus homólogos convencionales en las baterías de iones de litio, para la misma cantidad de capacidad de almacenamiento. Si se combina con nuevos conceptos para las versiones ligeras del otro electrodo, el cátodo, este trabajo podría conducir a reducciones sustanciales del peso total de las baterías de iones de litio. Por ejemplo, el equipo espera que pueda llevar a teléfonos celulares que puedan ser cargados sólo una vez cada tres días, sin hacer los teléfonos más pesados o voluminosos.

Un nuevo concepto para un cátodo más ligero fue descrito por otro equipo dirigido por Li, en un artículo que apareció el mes pasado en la revista Nature Energy, del que son coautores el postdoctor del MIT Zhi Zhu y el estudiante de postgrado Daiwei Yu. El material reduciría el uso del níquel y el cobalto, que son caros y tóxicos y se utilizan en los cátodos actuales. El nuevo cátodo no depende sólo de la contribución de la capacidad de estos metales de transición en el ciclo de la batería. En cambio, dependería más de la capacidad redox del oxígeno, que es mucho más ligero y abundante. Pero en este proceso los iones de oxígeno se vuelven más móviles, lo que puede hacer que escapen de las partículas del cátodo. Los investigadores utilizaron un tratamiento de superficie a alta temperatura con sal fundida para producir una capa superficial protectora sobre las partículas de óxido metálico rico en manganeso y litio, de modo que la cantidad de pérdida de oxígeno se reduce drásticamente.

Aunque la capa superficial es muy delgada, de sólo 5 a 20 nanómetros de espesor en una partícula de 400 nanómetros de ancho, proporciona una buena protección para el material subyacente. "Es casi como la inmunización", dice Li, contra los efectos destructivos de la pérdida de oxígeno en las baterías usadas a temperatura ambiente. Las versiones actuales proporcionan al menos un 50 por ciento de mejora en la cantidad de energía que se puede almacenar para un peso determinado, con una estabilidad de ciclo mucho mejor.

El equipo sólo ha construido hasta ahora pequeños dispositivos a escala de laboratorio, pero "espero que esto se pueda ampliar muy rápidamente", dice Li. Los materiales necesarios, en su mayoría manganeso, son significativamente más baratos que el níquel o el cobalto utilizados por otros sistemas, por lo que estos cátodos podrían costar tan sólo una quinta parte de lo que cuestan las versiones convencionales.

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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