Gran avance en la fabricación de baterías de iones de litio

Una nueva técnica de fabricación podría permitir que las baterías de iones de litio de estado sólido para automóviles adopten electrolitos cerámicos no inflamables utilizando los mismos procesos de producción que en las baterías fabricadas con electrolitos líquidos convencionales.

La tecnología de infiltración por fusión desarrollada por investigadores de ciencias de los materiales del Instituto Tecnológico de Georgia utiliza materiales de electrolitos que pueden infiltrarse en electrodos porosos pero densamente empaquetados y térmicamente estables.

El proceso de un solo paso produce compuestos de alta densidad basados en la infiltración sin presión y por capilaridad de un electrolito sólido fundido en cuerpos porosos, incluyendo pilas de electrodos separadores de varias capas.

"Mientras que el punto de fusión de los electrolitos de estado sólido tradicionales puede oscilar entre 700 y más de 1.000 grados centígrados, nosotros operamos a un rango de temperatura mucho más bajo, dependiendo de la composición del electrolito, aproximadamente entre 200 y 300 grados centígrados", explicó Gleb Yushin, profesor de la Facultad de Ciencias de los Materiales e Ingeniería de Georgia Tech. "A estas temperaturas más bajas, la fabricación es mucho más rápida y sencilla. Los materiales a bajas temperaturas no reaccionan. Los conjuntos de electrodos estándar, incluido el aglutinante o pegamento de polímero, pueden ser estables en estas condiciones".

La nueva técnica podría permitir la fabricación de grandes baterías de iones de litio para automóviles con cerámica 100% sólida y no inflamable, en lugar de electrolitos líquidos, utilizando los mismos procesos de fabricación de las baterías convencionales de electrolito líquido. La tecnología de fabricación, pendiente de patente, imita la fabricación de bajo coste de las pilas comerciales de iones de litio con electrolitos líquidos, pero en su lugar utiliza electrolitos de estado sólido con bajos puntos de fusión que se funden y se infiltran en electrodos densos. Como resultado, se podrían fabricar rápidamente células multicapa de alta calidad de cualquier tamaño o forma a escala utilizando herramientas y procesos probados desarrollados y optimizados durante los últimos 30 años para el Li-ion.

"La tecnología de filtración por fusión es el avance clave. La vida útil y la estabilidad de las baterías de iones de litio dependen en gran medida de las condiciones de funcionamiento, especialmente de la temperatura", explicó Yiran Xiao, estudiante de posgrado de Georgia Tech. "Si las baterías se sobrecalientan durante un periodo prolongado, suelen empezar a degradarse prematuramente, y las baterías sobrecalentadas pueden incendiarse. Eso ha hecho que casi todos los vehículos eléctricos (VE) incluyan sistemas de refrigeración sofisticados y bastante caros". En cambio, las baterías de estado sólido sólo necesitan calentadores, que son bastante menos costosos que los sistemas de refrigeración.

Yushin y Xiao se sienten alentados por el potencial de este proceso de fabricación para permitir a los fabricantes de baterías producirlas más ligeras, seguras y con mayor densidad energética.

"La tecnología de filtración por fusión desarrollada es compatible con una amplia gama de materiales químicos, incluidos los llamados electrodos de conversión. Se ha demostrado que estos materiales aumentan la densidad energética de las celdas de los automóviles en más de un 20% en la actualidad y en más del 100% en el futuro", afirma Kostiantyn Turcheniuk, coautor e investigador del Instituto Tecnológico de Georgia, y señala que las celdas de mayor densidad permiten una mayor autonomía. Las células necesitan electrodos de gran capacidad para dar ese salto de rendimiento.

La técnica de Georgia Tech aún no está lista para su comercialización, pero Yushin predice que si una parte importante del futuro mercado de los vehículos eléctricos adopta las baterías de estado sólido, "probablemente sea la única forma de hacerlo", ya que permitirá a los fabricantes utilizar sus instalaciones de producción e infraestructura actuales.

"Por eso nos hemos centrado en este proyecto: es una de las áreas de innovación más viables desde el punto de vista comercial para nuestro laboratorio", afirma.

Los precios de las células de las baterías alcanzaron los 100 dólares por kilovatio hora por primera vez en 2020. Según Yushin, tendrán que bajar por debajo de los 70 dólares por kilovatio hora antes de que el mercado de los vehículos eléctricos de consumo pueda abrirse por completo. La innovación en las baterías es fundamental para que esto ocurra.

El equipo del laboratorio de Ciencias de los Materiales se centra actualmente en desarrollar otros electrolitos que tengan puntos de fusión más bajos y conductividades más altas utilizando la misma técnica probada en el laboratorio.

Yushin prevé que el avance en la fabricación de este equipo de investigación abrirá las puertas a más innovaciones en este campo.

"Muchos científicos increíblemente inteligentes se centran en resolver problemas científicos muy difíciles, ignorando por completo la practicidad económica y técnica. Están estudiando y optimizando electrolitos de muy alta temperatura que no sólo son dramáticamente más caros de usar en las células, sino que también son hasta cinco veces más pesados en comparación con los electrolitos líquidos", explicó. "Mi objetivo es empujar a la comunidad investigadora a mirar fuera de esa caja química".