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Un defecto oculto: desbloquear mejores baterías para vehículos eléctricos
Arreglar una falla oculta podría conducir a mejores baterías para autos eléctricos.En comparación con las baterías de iones de litio tradicionales, las baterías de estado sólido brindan una carga más rápida, un mayor alcance y una vida útil más larga, y podrían desempeñar un papel clave en los vehículos eléctricos. Sin embargo, las baterías de estado sólido son propensas a fallar debido a los métodos de procesamiento de materiales y fabricación existentes. Los investigadores ahora han descubierto una falla oculta que estaba causando las fallas. La siguiente etapa es desarrollar materiales y procesos de fabricación que tengan en cuenta estos defectos y crear baterías de próxima generación.
A diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, que tienen partículas cargadas llamadas iones que se mueven en un líquido, las baterías de estado sólido tienen iones que viajan a través de la batería dentro de un material sólido. La nueva investigación muestra que, si bien las celdas de estado sólido tienen beneficios, las variaciones locales o los pequeños defectos en el material sólido pueden acortar o desgastar la batería.
"Un material uniforme es importante", dijo la investigadora principal Kelsey Hatzell, profesora asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial y el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente. “Quieres que los iones se muevan a la misma velocidad en todos los puntos del espacio”.
Hatzell y sus coautores describieron cómo emplearon herramientas de alta tecnología en el Laboratorio Nacional de Argonne para inspeccionar y rastrear cambios de materiales a escala nanométrica dentro de una batería mientras la cargaban y descargaban en un artículo publicado recientemente en Nature Materials. El equipo de investigadores de la Universidad de Princeton, la Universidad de Vanderbilt, el Laboratorio Nacional de Argonne y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge analizó los granos de cristal en el electrolito sólido de la batería, la parte central de la batería a través de la cual fluye la carga eléctrica. Al mover los iones más rápidamente a un área de la batería que a otra, los investigadores llegaron a la conclusión de que las irregularidades entre los granos podrían acelerar la falla de la batería. Cambiar el procesamiento de materiales y los métodos de fabricación podría ayudar a resolver los problemas de confiabilidad de la batería.
Las baterías almacenan energía eléctrica en los materiales que componen sus electrodos: el ánodo (el extremo de la batería marcado con el signo menos) y el cátodo (el extremo de la batería marcado con el signo más). Cuando la batería descarga energía para alimentar un automóvil o un teléfono inteligente, las partículas cargadas (llamadas iones) se mueven a través de la batería hacia el cátodo (el extremo +). El electrolito, sólido o líquido, es el camino que toman los iones entre el ánodo y el cátodo. Sin un electrolito, los iones no pueden moverse y almacenar energía en el ánodo y el cátodo.
En una batería de estado sólido, el electrolito suele ser una cerámica o un vidrio denso. Las baterías de estado sólido con electrolitos sólidos pueden permitir materiales más densos en energía (por ejemplo, metal de litio) y hacer que las baterías sean más livianas y pequeñas. El peso, el volumen y la capacidad de carga son factores clave para las aplicaciones de transporte, como los vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido también deberían ser más seguras y menos susceptibles a los incendios que otras formas.
Los ingenieros sabían que las baterías de estado sólido tienden a fallar en el electrolito, pero las fallas parecían ocurrir al azar. Hatzell y los co-investigadores sospecharon que las fallas podrían no ser aleatorias sino causadas por cambios en la estructura cristalina del electrolito. Para explorar esta hipótesis, los investigadores utilizaron el sincrotrón del Laboratorio Nacional de Argonne para producir potentes rayos X que les permitieron observar la batería durante el funcionamiento. Combinaron imágenes de rayos X y técnicas de difracción de alta energía para estudiar la estructura cristalina de un electrolito granate en la escala de angstrom, aproximadamente del tamaño de un solo átomo. Esto permitió a los investigadores estudiar los cambios en el granate a nivel de cristal.
Un electrolito de granate se compone de un conjunto de bloques de construcción conocidos como granos. En un solo electrolito (1 mm de diámetro) hay casi 30.000 granos diferentes. Los investigadores encontraron que a través de los 30.000 granos, había dos arreglos estructurales predominantes. Estas dos estructuras mueven iones a diferentes velocidades. Además, estas diferentes formas o estructuras “pueden generar gradientes de tensión que provocan que los iones se muevan en diferentes direcciones y que los iones eviten partes de la célula”, dijo Hatzell.
Ella comparó el movimiento de los iones cargados a través de la batería con el agua que se mueve río abajo y se encuentra con una roca que redirige el agua. Las áreas que tienen grandes cantidades de iones en movimiento tienden a tener niveles de estrés más altos.
“Si tiene todos los iones yendo a un solo lugar, provocará una falla rápida”, dijo Hatzell. “Necesitamos tener control sobre dónde y cómo se mueven los iones en los electrolitos para construir baterías que duren miles de ciclos de carga”.
Hatzell dijo que debería ser posible controlar la uniformidad de los granos a través de técnicas de fabricación y agregando pequeñas cantidades de diferentes químicos llamados dopantes para estabilizar las formas cristalinas en los electrolitos.
“Tenemos muchas hipótesis que no se han probado sobre cómo se evitarían estas heterogeneidades”, dijo. “Ciertamente va a ser un reto, pero no imposible”.
Referencia: "Polimorfismo de electrolitos sólidos de granate y sus implicaciones para la quimiomecánica a nivel de grano" por Marm B. Dixit, Bairav S. Vishugopi, Wahid Zaman, Peter Kenesei, Jun-Sang Park, Jonathan Almer, Partha P. Mukherjee y Kelsey B. Hatzell, 1 de septiembre de 2022, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-022-01333-y
El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Por ESCUELA DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD DE PRINCETON 1 DE OCTUBRE DE 2022
