La película delgada de ORNL aumenta la seguridad de la batería y podría proporcionar una densidad energética dos veces mayor para los vehículos eléctricos
ORNL ha desarrollado un electrolito de estado sólido delgado y flexible que podría duplicar el almacenamiento de energía para futuros vehículos, teléfonos, computadoras portátiles y otros dispositivos.
Los investigadores están acelerando el desarrollo de baterías de estado sólido de próxima generación mediante el uso de un polímero para crear una película delgada robusta pero flexible.
El trabajo realizado por un equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), parte del Departamento de Energía, pretende avanzar en el desarrollo de la energía para vehículos eléctricos gracias a láminas flexibles y duraderas de electrolitos de estado sólido.
Gracias a las láminas se podrán producir de forma más masiva futuras baterías de estado sólido con electrodos de mayor densidad energética.
Según los investigadores, mantener separados los electrodos positivos y negativos ofrecería vías de alta conducción para el flujo de iones y evitaría cortocircuitos eléctricos peligrosos .
“La principal motivación para desarrollar membranas electrolíticas de estado sólido de 30 micrómetros o menos de espesor fue almacenar más energía en baterías de iones de litio para que sus vehículos eléctricos, computadoras portátiles y teléfonos celulares puedan funcionar durante mucho más tiempo antes de necesitar recargarse”, dijo Guang Yang, asociado de investigación y desarrollo en ORNL, en una declaración .
Resistencia de la cadena de polímeros
El nuevo desarrollo mejoró una innovación anterior de ORNL al modificar el aglutinante de polímero para que funcione mejor con electrolitos de sulfuro en estado sólido. Es un componente de las iniciativas continuas para crear pautas para la selección y el manejo de materiales.
Esta investigación tuvo como objetivo encontrar el punto “Ricitos de Oro”, un espesor de película ideal para mantener tanto la conducción de iones como la resistencia estructural.
La conductividad del polímero plástico utilizado en los electrolitos de estado sólido actuales , que conducen iones, es sustancialmente menor en comparación con los electrolitos líquidos. En ocasiones, se añaden electrolitos líquidos a los electrolitos de polímero para mejorar el rendimiento.
Comparable al electrolito líquido que se utiliza actualmente en las baterías de iones de litio, el electrolito de estado sólido de sulfuro posee conductividad iónica. “Es muy atractivo. Los compuestos de sulfuro crean una ruta conductora que permite que el litio se mueva de un lado a otro durante el proceso de carga/descarga”, afirmó Yang.
Los investigadores descubrieron que el peso molecular de los aglutinantes poliméricos desempeña un papel fundamental en la durabilidad de las películas de electrolitos de estado sólido. Las películas con aglutinantes de bajo peso molecular que presentan cadenas poliméricas más cortas tienen dificultades para mantener el contacto con el material electrolítico debido a su resistencia insuficiente.
Por el contrario, los aglutinantes de alto peso molecular con cadenas poliméricas más largas proporcionan una mayor estabilidad estructural. Además, las películas con aglutinantes de cadena larga requieren menos material para lograr una conductividad iónica efectiva.
Mayor durabilidad de la batería
El equipo se propuso reducir la cantidad de aglutinante polimérico utilizado, ya que no conduce iones. La función principal del aglutinante es mantener las partículas de electrolito dentro de la película. Si bien aumentar la cantidad de aglutinante puede mejorar la calidad de la película, también reduce la conducción de iones. Por otro lado, usar menos aglutinante mejora la conducción de iones, pero afecta negativamente la calidad de la película.
Para el análisis detallado se utilizaron microscopía electrónica de barrido, espectroscopia de rayos X por dispersión de energía y nanoindentación, y las mediciones de radiación de sincrotrón revelaron la morfología de las partículas.
Las técnicas de caracterización avanzadas fueron esenciales para examinar los intrincados detalles de la lámina de electrolito de estado sólido de sulfuro, lo que permitió a los investigadores mejorar la conducción y la estabilidad de iones del electrolito.
Según los investigadores, el análisis detallado es crucial para desarrollar baterías de estado sólido más confiables y eficientes. Los científicos están ampliando su espacio de laboratorio de 7.000 pies cuadrados en el ORNL estableciendo áreas de baja humedad dedicadas a la investigación de sulfuros, ya que estos materiales pueden contaminar a otros.
Para abordar este desafío, el equipo necesita equipos especializados, como cajas de guantes especiales, de las cuales ORNL proporciona ocho específicamente para este trabajo.
A continuación, el equipo planea construir un dispositivo capaz de integrar la película delgada en electrodos negativos y positivos de próxima generación, lo que les permitirá probar su rendimiento en condiciones prácticas de batería. Luego colaborarán con investigadores de la industria, el mundo académico y el gobierno para seguir desarrollando y probando la película delgada en varios dispositivos.
Los detalles de la investigación del equipo fueron publicados en la revista ACS Energy Letters .