22.05.2020 - Skolkovo Institute of Science and Technology

Manténgase alejado del agua: Un prometedor electrolito sólido es "hidrofóbico

Implicaciones directas para el potencial rendimiento y la vida útil de la batería

Los investigadores de Skoltech y sus colegas han demostrado que el LATP, un electrolito sólido considerado para su uso en el almacenamiento de energía de próxima generación, es altamente sensible al agua, lo que tiene implicaciones directas en el rendimiento potencial y la vida útil de la batería.

Aunque las fuentes de energía renovable atraen mucho interés en todo el mundo debido a las tecnologías verdes y a la alta eficiencia de conversión, su integración sigue siendo un desafío ya que las energías renovables son inherentemente cíclicas e inconsistentes. Como la noche sigue al día y la calma al viento, el modo de inactividad sigue a la generación de energía. Evidentemente, un suministro de energía tan impredeciblemente intermitente difícilmente satisfará las expectativas de los consumidores, pero hay una solución que puede superar este obstáculo, a saber, las redes de almacenamiento de energía. Se espera que estos sistemas recojan la energía generada espontáneamente y la distribuyan a demanda, proporcionando una entrega de energía estable y flexible.

Entre la amplia gama de sistemas de almacenamiento de energía, las baterías de flujo redox parecen ser las más apropiadas debido a su fácil escalabilidad, funcionamiento y potencia de salida controlable. Una batería de flujo redox es, en cierto modo, una batería convencional al revés: los electrodos se convierten en líquidos (anólito y católito) mientras que el electrolito conductor de iones se convierte en una membrana sólida. Las propiedades de esta membrana determinan el rendimiento final y la vida útil de la batería, por lo que los científicos están considerando diversos materiales, tanto inorgánicos como poliméricos, que serían adecuados para este fin.

Uno de estos compuestos es el Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3, o LATP. Es un conocido material conductor de litio que pertenece a la familia NASICON (llamado así por los primeros representantes conductores de sodio bien descritos - Na Super Ionic CONductor). Esta familia se define por una estructura cristalina similar que determina su alta conductividad iónica.

La conductividad y las características estructurales del LATP se describen con bastante detalle, pero su estabilidad frente a los factores ambientales ordinarios, como el aire y el agua, sigue siendo poco conocida. Así que Mariam Pogosova del Centro Skoltech para la Ciencia y Tecnología de la Energía y sus colegas decidieron averiguar si el agua pura influye en las propiedades del LATP.

"LATP" disparó nuestra curiosidad científica. Un conductor superiónico muy conocido, el LATP tiene un alto potencial para una mayor mejora química y tecnológica. Conocíamos sus limitaciones, como las pobres propiedades mecánicas (fragilidad) y la inestabilidad hacia el litio metálico. Sin embargo, estas limitaciones eran bastante aceptables ya que planeábamos compensarlas mediante la creación de material compuesto. Así que empezamos nuestros experimentos", explica Pogosova.

Estudios anteriores del grupo demostraron que las cerámicas de LATP perdían conductividad de forma bastante drástica cuando se almacenaban durante varios días tanto en el aire ambiente como en el argón. Los investigadores formularon la hipótesis de que la humedad podría desempeñar un papel clave en esta degradación y se propusieron explorar la exposición del LATP al agua.

Primero, los científicos sintetizaron el LATP a través de la reacción original de dos etapas de estado sólido. Luego pusieron sus muestras en agua desionizada y las dejaron por diferentes períodos de tiempo hasta 12 horas y realizaron subsecuentes análisis electroquímicos, estructurales, químicos y morfológicos apoyados por modelos teóricos.

Los experimentos demostraron que las cerámicas LATP se degradan significativamente en contacto con el agua, perdiendo hasta un 64% de la conductividad iónica total después de aproximadamente dos horas de exposición. Los científicos también observaron un montón de otras pruebas de degradación: microfisuras, distorsión de la forma del grano, formación de nanopartículas, cambios en la composición química, contracción de las células unitarias y cambios de poliedros y cepas intraestructurales. Todo esto les llevó a concluir que la cerámica LATP es muy sensible al agua y probablemente no sea adecuada para su uso en baterías de flujo redox acuoso.

"Evidentemente, el impacto del agua es una preocupación para los LATPs puros y su idoneidad para los sistemas de flujo redox, especialmente los acuosos. Quiero subrayar que el agua desionizada/sistema LATP analizado en este estudio no representa las condiciones reales de las baterías de flujo redox, ya que las soluciones de anólito/catolito son más complejas. Por lo tanto, en este punto, no trataría de predecir el futuro del LATP. Sin embargo, creo que el conocimiento fundamental obtenido ya es valioso y aplicable: cualquier tipo de agua es ahora claramente una razón para estar en alerta. Por ejemplo, ahora podemos preservar el rendimiento inicial de las cerámicas de LATP mediante un simple tratamiento de secado y vacío", dice Mariam Pogosova.

También señala que, sorprendentemente, su investigación es el primer estudio completo y versátil del impacto del agua en el LATP. "Así que seguramente estamos planeando más estudios para refinar el comportamiento del LATP en otros medios, para revelar si va a funcionar bien en condiciones de flujo redox", añade Pogosova.

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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