18.01.2022 - Georgia Institute of Technology

El material de caucho es la clave para que las baterías de los vehículos eléctricos sean más duraderas y seguras

Para sustituir los electrolitos líquidos, los investigadores combinan material de caucho con una innovadora estructura en 3D

Para que los vehículos eléctricos se conviertan en la corriente principal, necesitan baterías rentables, más seguras y duraderas que no exploten durante su uso ni dañen el medio ambiente. Investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia podrían haber encontrado una alternativa prometedora a las baterías de iones de litio convencionales fabricadas con un material común: el caucho.

Los elastómeros, o cauchos sintéticos, se utilizan ampliamente en productos de consumo y tecnologías avanzadas como la electrónica vestible y la robótica blanda por sus superiores propiedades mecánicas. Los investigadores descubrieron que el material, cuando se formulaba en una estructura 3D, actuaba como una supercarretera para el transporte rápido de iones de litio con una dureza mecánica superior, lo que daba lugar a baterías de carga más larga que podían llegar más lejos. La investigación, realizada en colaboración con el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, se publicó en la revista Nature.

En las baterías de iones de litio convencionales, los iones se mueven mediante un electrolito líquido. Sin embargo, la batería es intrínsecamente inestable: hasta el más mínimo daño puede filtrarse en el electrolito y provocar una explosión o un incendio. Los problemas de seguridad han obligado a la industria a buscar baterías de estado sólido, que pueden fabricarse con material cerámico inorgánico o polímeros orgánicos.

"La mayor parte de la industria se está centrando en construir electrolitos inorgánicos de estado sólido. Pero son difíciles de fabricar, caros y no son respetuosos con el medio ambiente", afirma Seung Woo Lee, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, que forma parte de un equipo de investigadores que ha descubierto un polímero orgánico a base de caucho superior a otros materiales. Los electrolitos poliméricos sólidos siguen despertando un gran interés por su bajo coste de fabricación, su no toxicidad y su naturaleza blanda. Sin embargo, los electrolitos poliméricos convencionales no tienen suficiente conductividad iónica ni estabilidad mecánica para un funcionamiento fiable de las baterías de estado sólido.

Un novedoso diseño en 3D permite aumentar la densidad energética y el rendimiento

Los ingenieros de Georgia Tech han resuelto los problemas habituales (lentitud en el transporte de iones de litio y escasas propiedades mecánicas) con los electrolitos de caucho. El avance clave consistió en permitir que el material formara una fase cristalina plástica interconectada en tres dimensiones (3D) dentro de la robusta matriz de caucho. Esta estructura única ha dado lugar a una alta conductividad iónica, propiedades mecánicas superiores y estabilidad electroquímica.

Este electrolito de caucho puede fabricarse mediante un sencillo proceso de polimerización en condiciones de baja temperatura, generando interfaces robustas y suaves en la superficie de los electrodos. Estas características únicas de los electrolitos de caucho impiden el crecimiento de dendritas de litio y permiten que los iones se muevan más rápido, lo que permite un funcionamiento fiable de las baterías de estado sólido incluso a temperatura ambiente.

"El caucho se ha utilizado en todas partes por sus elevadas propiedades mecánicas, y nos permitirá fabricar baterías baratas, más fiables y más seguras", afirma Lee.

"Una mayor conductividad iónica significa que se pueden mover más iones al mismo tiempo", dijo Michael Lee, investigador graduado en ingeniería mecánica. "Al aumentar la energía específica y la densidad energética de estas baterías, se puede aumentar el kilometraje del vehículo eléctrico".

Los investigadores están buscando ahora formas de mejorar el rendimiento de la batería aumentando su duración de ciclo y disminuyendo el tiempo de carga mediante una conductividad iónica aún mejor. Hasta ahora, sus esfuerzos han permitido mejorar en dos ocasiones el rendimiento/tiempo de ciclo de la batería.

El trabajo podría mejorar la reputación de Georgia como centro de innovación en materia de vehículos eléctricos. SK Innovation, una empresa energética y petroquímica de ámbito mundial, está financiando nuevas investigaciones sobre el material del electrolito en el marco de su actual colaboración con el Instituto para construir baterías de estado sólido de nueva generación más seguras y con mayor densidad energética que las baterías de iones de litio convencionales. SK Innovation anunció recientemente la construcción de una nueva planta de baterías para vehículos eléctricos en Commerce (Georgia), que se espera que produzca un volumen anual de baterías de iones de litio equivalente a 21,5 gigavatios-hora para 2023.

"Las baterías de estado sólido pueden aumentar drásticamente el kilometraje y la seguridad de los vehículos eléctricos. Las empresas de baterías de rápido crecimiento, incluida SK Innovation, creen que la comercialización de las baterías de estado sólido cambiará las reglas del juego en el mercado de los vehículos eléctricos", dijo Kyounghwan Choi, director del centro de investigación de baterías de nueva generación de SK Innovation. "A través del proyecto en curso en colaboración con SK Innovation y el profesor Seung Woo Lee de Georgia Tech, hay grandes expectativas de una rápida aplicación y comercialización de las baterías de estado sólido".

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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