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El avance de Stanford allana el camino para las baterías de metal de litio de próxima generación que
Las baterías de metal de litio con electrolitos sólidos son una tecnología prometedora debido a su naturaleza liviana, no inflamable, alta densidad de energía y capacidad de recarga rápida. Sin embargo, su desarrollo se ha visto obstaculizado por el problema de los cortocircuitos y las fallas. Los científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC afirman haber resuelto este misterio.
Las nuevas baterías de metal de litio con electrolitos sólidos son livianas, inflamables, contienen mucha energía y pueden recargarse muy rápidamente, pero su desarrollo ha sido lento debido a fallas y cortocircuitos misteriosos. Ahora, los investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC dicen que han resuelto el misterio.
Se trata de estrés, estrés mecánico para ser más precisos, especialmente durante la recarga potente.
"Simplemente una pequeña hendidura, flexión o torsión de las baterías puede causar que se abran fisuras nanoscópicas en los materiales y que el litio se introduzca en el electrolito sólido y provoque un cortocircuito", explicó el autor principal William Chueh, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería, y de ciencias de la energía e ingeniería en la nueva Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr.
“Incluso el polvo u otras impurezas introducidas en la fabricación pueden generar suficiente estrés como para causar fallas”, dijo Chueh, quien dirigió la investigación con Wendy Gu, profesora asistente de ingeniería mecánica.
El problema de la falla de electrolitos sólidos no es nuevo y muchos han estudiado el fenómeno. Abundan las teorías sobre cuál es exactamente la causa. Algunos dicen que el flujo involuntario de electrones es el culpable, mientras que otros apuntan a la química. Sin embargo, otros teorizan que hay diferentes fuerzas en juego.
En un estudio publicado hoy (30 de enero) en la revista Nature Energy, los coautores principales Geoff McConohy, Xin Xu y Teng Cui explican en experimentos rigurosos y estadísticamente significativos cómo los defectos a nanoescala y el estrés mecánico hacen que los electrolitos sólidos fallen. Los científicos de todo el mundo que intentan desarrollar nuevas baterías recargables de electrolito sólido pueden diseñar alrededor del problema o incluso convertir el descubrimiento en su beneficio, como gran parte de este equipo de Stanford está investigando ahora. Las baterías de metal de litio no inflamables, de alta densidad energética, de carga rápida y que duran mucho tiempo podrían superar las principales barreras para el uso generalizado de vehículos eléctricos, entre muchos otros beneficios.
Significancia estadística
Muchos de los principales electrolitos sólidos de la actualidad son cerámicos. Permiten el transporte rápido de iones de litio y separan físicamente los dos electrodos que almacenan energía. Lo más importante, son a prueba de fuego. Pero, como la cerámica en nuestros hogares, pueden desarrollar pequeñas grietas en su superficie.
Los investigadores demostraron a través de más de 60 experimentos que la cerámica a menudo está imbuida de grietas, abolladuras y fisuras nanoscópicas, muchas de ellas de menos de 20 nanómetros de ancho. (Una hoja de papel tiene un grosor de unos 100.000 nanómetros). Durante la carga rápida, dicen Chueh y su equipo, estas fracturas inherentes se abren, lo que permite la intrusión del litio.
En cada experimento, los investigadores aplicaron una sonda eléctrica a un electrolito sólido, creando una batería en miniatura, y usaron un microscopio electrónico para observar la carga rápida en tiempo real. Posteriormente, utilizaron un haz de iones como un bisturí para comprender por qué el litio se acumula en la superficie de la cerámica en algunos lugares, según se desee, mientras que en otros lugares comienza a excavar, más y más profundo, hasta que el litio se une al electrolito sólido. , creando un cortocircuito.
La diferencia es la presión. Cuando la sonda eléctrica simplemente toca la superficie del electrolito, el litio se acumula maravillosamente sobre el electrolito incluso cuando la batería se carga en menos de un minuto. Sin embargo, cuando la sonda presiona el electrolito cerámico, imitando las tensiones mecánicas de la muesca, la flexión y la torsión, es más probable que se produzca un cortocircuito en la batería.
La teoría en la práctica
Una batería de estado sólido del mundo real está hecha de capas sobre capas de láminas de cátodo-electrolito-ánodo apiladas una encima de la otra. El papel del electrolito es separar físicamente el cátodo del ánodo, pero permitir que los iones de litio viajen libremente entre los dos. Si el cátodo y el ánodo se tocan o están conectados eléctricamente de alguna forma, como por un túnel de litio metálico, se produce un cortocircuito.
Como muestran Chueh y su equipo, incluso una curva sutil, un ligero giro o una mota de polvo atrapada entre el electrolito y el ánodo de litio causará grietas imperceptibles.
“Dada la oportunidad de excavar en el electrolito, el litio eventualmente se abrirá camino, conectando el cátodo y el ánodo”, dijo McConohy, quien completó su doctorado el año pasado trabajando en el laboratorio de Chueh y ahora trabaja en la industria. “Cuando eso sucede, la batería falla”.
La nueva comprensión se demostró repetidamente, dijeron los investigadores. Grabaron un video del proceso utilizando microscopios electrónicos de barrido, los mismos microscopios que no pudieron ver las fisuras nacientes en el electrolito puro no probado.
Es un poco como la forma en que aparece un bache en un pavimento perfecto, explicó Xu. A través de la lluvia y la nieve, las llantas de los automóviles arrojan agua a las pequeñas imperfecciones preexistentes en el pavimento, lo que produce grietas cada vez más anchas que crecen con el tiempo.
“El litio es en realidad un material blando, pero, como la analogía del agua en el bache, todo lo que se necesita es presión para ampliar la brecha y provocar una falla”, dijo Xu, becario postdoctoral en el laboratorio de Chueh.
Con su nueva comprensión en la mano, el equipo de Chueh está buscando formas de usar estas mismas fuerzas mecánicas intencionalmente para endurecer el material durante la fabricación, al igual que un herrero recoce una cuchilla durante la producción. También están buscando formas de recubrir la superficie del electrolito para evitar grietas o repararlas si surgen.
“Todas estas mejoras comienzan con una sola pregunta: ¿Por qué?”, dijo Cui, un becario postdoctoral en el laboratorio de Gu. "Somos ingenieros. Lo más importante que podemos hacer es averiguar por qué sucede algo. Una vez que sepamos eso, podemos mejorar las cosas”.
Referencia: "Regulación mecánica de la probabilidad de intrusión de litio en electrolitos sólidos de granate" 30 de enero de 2023, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4
Por UNIVERSIDAD DE STANFORD 30 DE ENERO DE 2023
