Cerámica híbrida

Las futuras generaciones de baterías de iones de litio de estado sólido basadas en electrolitos híbridos de polímero cerámico podrían ofrecer el potencial de un mayor almacenamiento de energía, una recarga más rápida y una mayor estabilidad electroquímica y térmica, al tiempo que superan muchos de los desafíos tecnológicos asociados con las baterías de estado sólido anteriores. .

En el Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech), los investigadores están trabajando para ampliar su comprensión fundamental de estos electrolitos híbridos, el componente que transfiere la carga entre los electrodos a medida que las baterías alimentan los sistemas, como los vehículos eléctricos (EV), y luego se recargan. Las baterías de iones de litio que se utilizan ampliamente en los vehículos eléctricos de hoy en día dependen de electrolitos líquidos, que son susceptibles a la fuga térmica y al fuego si se dañan.

"Hemos demostrado que podemos fabricar estos electrolitos híbridos de estado sólido y ponerlos en celdas tipo moneda para demostrar un alto rendimiento y una alta estabilidad", dijo Ilan Stern, científico investigador principal que dirige la investigación de baterías en el Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia ( GTRI), la organización de investigación aplicada de Georgia Tech. "Hemos sentado las bases para demostrar que podemos desarrollar innovaciones en baterías de estado sólido basadas en estos híbridos de cerámica y polímeros. Nuestro siguiente paso es integrar la tecnología en celdas de bolsa, el tipo de baterías que se utilizan en los vehículos eléctricos".

Los investigadores de GTRI están trabajando con colegas de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech, la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Instituto de Energía Estratégica en la investigación de un electrolito conocido como fosfato de germanio de aluminio y litio (LAGP). Un componente de polímero conocido como poli DOL rodea el electrolito LAGP, proporcionando una conductividad iónica interna que va mucho más allá de los electrolitos cerámicos existentes, sin las desventajas de los líquidos inflamables. El equipo de fabricación y la colaboración académica están dirigidos por Jinho Park, un científico investigador de GTRI. La síntesis de la cerámica LAGP está dirigida por Jason Nadler, científico investigador principal de GTRI.

Stern describe los electrolitos cerámicos tradicionales como similares a caramelos duros (piense en M&M) que se vierten en el espacio entre el ánodo y el cátodo de la batería. Las cerámicas duras brindan ventajas de seguridad y almacenamiento de energía, pero están limitadas en cuanto a cuánto contactan los electrodos para transferir cargas iónicas. Agregar el polímero mejora dramáticamente el contacto interfacial entre los electrodos y el electrolito mientras mantiene la mayoría de las ventajas de la cerámica.

“La estabilidad electroquímica, la estabilidad térmica y la estabilidad mecánica serán las principales diferencias entre los electrolitos líquidos y estos híbridos”, dijo. "Realmente estamos tomando lo mejor de ambos mundos. Dado que las baterías de estado sólido permiten el uso de un ánodo de metal de litio, el techo de capacidad es significativamente más alto, por lo que, en última instancia, deberíamos ver un aumento drástico en la densidad de energía en comparación con las baterías convencionales". Baterías de iones de litio basadas en electrolitos líquidos".

El electrolito híbrido de cerámica y polímero se parece a un disco de hockey, pero será más resistente al daño que una cerámica pura. "Sin duda será mucho más tolerante que una cerámica", dijo Stern. "Incluso si se desarrollan microfisuras, el polímero proporcionará el andamiaje para garantizar la integridad, manteniéndolo unido estructuralmente".

Las baterías de estado sólido aún no se utilizan comercialmente, pero al menos un fabricante de vehículos eléctricos planea colocarlas en los vehículos en los próximos años a medida que los fabricantes de baterías continúan realizando mejoras. Pero la tecnología es mucho menos madura que los sistemas de electrolitos líquidos existentes, lo que invita a innovaciones como el sistema híbrido en el que están trabajando los investigadores de Georgia Tech.

La investigación cuenta con el apoyo, en parte, de un compromiso de investigación y desarrollo independiente de $1,1 millones por tres años de GTRI. "Con la inversión federal y estatal sin precedentes realizada en Georgia para vehículos eléctricos, fabricación de baterías y reciclaje, GTRI continúa construyendo colaboraciones sólidas para ayudar a identificar brechas y nuevos modelos comerciales, y pronosticar la cantidad y los tipos de plantas de reciclaje necesarias para responder a demandas futuras del mercado", añadió Stern.

Con base en resultados alentadores con baterías pequeñas a escala de laboratorio, los investigadores planean expandir su trabajo a baterías que podrían fabricarse por cientos o miles para un mayor desarrollo y prueba y, en última instancia, fabricación a gran escala. "A medida que aumentamos nuestra eficiencia con la fabricación, los costos de fabricación se reducirán, mientras que la integración de la cadena de suministro y los objetivos de sostenibilidad de reutilización y reciclaje tendrán un gran impacto", dijo Stern.

Más allá de demostrar el potencial de esta tecnología, el equipo de investigación también está modelando el funcionamiento de las celdas para ayudar a guiar el desarrollo tecnológico futuro y evaluar el ciclo de vida potencial de las baterías de estado sólido de electrolito híbrido. Entre los objetivos futuros se encuentran la integración de la tecnología en cadenas de suministro que no dependan de materiales provenientes de áreas en conflicto del mundo y la evaluación de nuevos materiales de electrodos como el litio metálico y el silicio para reemplazar el grafito estándar.

"El objetivo de la tarea de ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) es modelar el conocimiento experto que va desde el nivel de fabricación hasta la integración del sistema para revelar oportunidades de investigación, así como nuevos modelos de negocios", dijo Paula Gómez, ingeniera de investigación sénior de GTRI. , y el líder del equipo de modelado.

El equipo de investigación está desarrollando modelos en tres áreas principales: (1) fabricación y rendimiento; (2) proceso de fabricación; y (3) reutilizar, renovar y reciclar. La integración de estos modelos implica evaluar la eficiencia y la estabilidad de la batería, el costo de producción y el consumo de energía, así como el retorno de la inversión de los materiales de reciclaje.

Aunque las ventajas de los electrolitos de estado sólido son muy atractivas, existen desafíos por delante. Un sistema electrolítico híbrido es más complicado de fabricar y las interacciones eléctricas, mecánicas y químicas entre los materiales deben estudiarse a fondo. "Mientras más complejidad tengas, más problemas tendrás que entender", dijo Stern.

GTRI es conocido por su apoyo a la seguridad nacional a través de investigaciones patrocinadas por las agencias del Departamento de Defensa de EE. UU. Stern espera que la tecnología mejorada de baterías de estado sólido finalmente se abra camino en el equipo militar que llevan los soldados y las futuras generaciones de vehículos militares eléctricos.

El trabajo también apoya el desarrollo económico del estado de Georgia, que se está convirtiendo rápidamente en un centro para la fabricación de baterías y vehículos eléctricos.

"Georgia se está convirtiendo en el epicentro de la revolución de la electrificación con fabricantes de vehículos como Rivian y Hyundai, compañías de baterías como SK, FREYER Battery y recicladores como Ascend Elements", dijo Stern. "Georgia Tech está contribuyendo al desarrollo económico del estado al ayudar a impulsar esa innovación".

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Georgia