24.06.2020 - Brown University

La próxima generación de baterías de alta resistencia...

Combinando un material cerámico con grafeno, los ingenieros de la Universidad de Brown han hecho lo que dicen es el electrolito sólido más resistente construido hasta la fecha.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Brown ha encontrado una manera de duplicar la dureza de un material cerámico usado para hacer baterías de iones de litio de estado sólido. La estrategia, descrita en la revista Matter, podría ser útil para llevar las baterías de estado sólido al mercado masivo.

"Hay un gran interés en reemplazar los electrolitos líquidos de las baterías actuales por materiales cerámicos porque son más seguros y pueden proporcionar una mayor densidad de energía", dijo Christos Athanasiou, investigador postdoctoral de la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal de la investigación. "Hasta ahora, la investigación sobre electrolitos sólidos se ha centrado en la optimización de sus propiedades químicas. Con este trabajo, nos estamos centrando en las propiedades mecánicas, con la esperanza de hacerlas más seguras y prácticas para su uso generalizado".

El electrolito es la barrera entre el cátodo y el ánodo de una batería a través de la cual fluyen los iones de litio durante la carga o la descarga. Los electrolitos líquidos funcionan bastante bien, se encuentran en la mayoría de las baterías en uso hoy en día, pero tienen algunos problemas. A altas corrientes, se pueden formar pequeños filamentos de metal de litio en el interior de los electrolitos, lo que provoca un cortocircuito en las baterías. Y como los electrolitos líquidos también son altamente inflamables, esos cortos pueden provocar incendios.

Los electrolitos cerámicos sólidos no son inflamables, y hay pruebas de que pueden evitar la formación de filamentos de litio, lo que podría permitir que las baterías funcionen con corrientes más altas. Sin embargo, la cerámica es un material muy quebradizo que puede fracturarse durante el proceso de fabricación y durante el uso.

Para este nuevo estudio, los investigadores querían ver si la infusión de una cerámica con grafeno - un nanomaterial superfuerte basado en el carbono - podría aumentar la resistencia a la fractura del material (la capacidad de un material para resistir el agrietamiento sin desmoronarse) mientras se mantienen las propiedades electrónicas necesarias para la función del electrolito.

Athanasiou trabajó con los profesores de ingeniería de Brown Brian Sheldon y Nitin Padture, que durante años han utilizado nanomateriales para endurecer cerámicas para su uso en la industria aeroespacial. Para este trabajo, los investigadores hicieron diminutas plaquetas de óxido de grafeno, las mezclaron con polvo de una cerámica llamada LATP, y luego calentaron la mezcla para formar un compuesto de cerámica y grafeno.

Las pruebas mecánicas del compuesto mostraron un aumento de más del doble de la resistencia en comparación con la cerámica sola. "Lo que sucede es que cuando se inicia una grieta en un material, las plaquetas de grafeno esencialmente mantienen las superficies rotas juntas para que se requiera más energía para que la grieta funcione", dijo Athanasiou.

Los experimentos también mostraron que el grafeno no interfería con las propiedades eléctricas del material. La clave era asegurarse de que se añadiera la cantidad correcta de grafeno a la cerámica. Muy poco grafeno no lograría el efecto de endurecimiento. Demasiado causaría que el material se volviera conductor de la electricidad, lo que no es deseable en un electrolito.

"Quieres que el electrolito conduzca iones, no electricidad", dijo Padture. "El grafeno es un buen conductor eléctrico, así que la gente puede pensar que nos disparamos en el pie al poner un conductor en nuestro electrolito. Pero si mantenemos la concentración lo suficientemente baja, podemos evitar que el grafeno conduzca, y aún así obtenemos el beneficio estructural."

En conjunto, los resultados sugieren que los nanocompuestos podrían proporcionar un camino hacia la fabricación de electrolitos sólidos más seguros con propiedades mecánicas para su uso en aplicaciones cotidianas. El grupo planea continuar trabajando para mejorar el material, probando otros nanomateriales además del grafeno y diferentes tipos de electrolitos cerámicos.

"Hasta donde sabemos, este es el electrolito sólido más resistente que alguien ha hecho hasta la fecha", dijo Sheldon. "Creo que lo que hemos demostrado es que hay muchas promesas en el uso de estos compuestos en aplicaciones de baterías".

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