Una nueva técnica de fabricación podría permitir que las baterías de iones de litio de estado sólido para automóviles adopten electrolitos cerámicos no inflamables utilizando los mismos procesos de producción que en las baterías fabricadas con electrolitos líquidos convencionales.
La tecnología de infiltración por fusión desarrollada por investigadores de ciencia de materiales en el Instituto de Tecnología de Georgia utiliza materiales electrolíticos que pueden infiltrarse en electrodos térmicamente estables, porosos pero densamente empaquetados.
El proceso de un solo paso produce compuestos de alta densidad basados en la infiltración capilar sin presión de un electrolito sólido fundido en cuerpos porosos, incluidas las pilas de separadores de electrodos de varias capas.
"Si bien el punto de fusión de los electrolitos de estado sólido tradicionales puede oscilar entre 700 grados Celsius y más de 1000 grados Celsius, operamos en un rango de temperatura mucho más bajo, dependiendo de la composición del electrolito, aproximadamente de 200 a 300 grados Celsius", explicó GlebYushin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "A estas temperaturas más bajas, la fabricación es mucho más rápida y sencilla. Los materiales a bajas temperaturas no reaccionan. Los conjuntos de electrodos estándar, incluido el aglutinante de polímero o el pegamento,puede ser estable en estas condiciones ".
La nueva técnica, que se publicará el 8 de marzo en la revista Materiales naturales , podría permitir que las grandes baterías de iones de litio para automóviles sean más seguras con cerámica no inflamable de estado sólido 100% en lugar de electrolitos líquidos utilizando los mismos procesos de fabricación de la producción de baterías de electrolitos líquidos convencionales. La tecnología de fabricación pendiente de patente imita la fabricación de bajo costode celdas de iones de litio comerciales con electrolitos líquidos, pero en su lugar utiliza electrolitos de estado sólido con puntos de fusión bajos que se funden y se infiltran en electrodos densos. Como resultado, las celdas multicapa de alta calidad de cualquier tamaño o forma podrían fabricarse rápidamente enescala utilizando herramientas y procesos probados desarrollados y optimizados durante los últimos 30 años para Li-ion.
"La tecnología de infiltración por fusión es el avance clave. El ciclo de vida y la estabilidad de las baterías de iones de litio dependen en gran medida de las condiciones de funcionamiento, en particular de la temperatura", explicó el estudiante graduado de Georgia Tech, Yiran Xiao. "Si las baterías se sobrecalientan durante un período prolongado, comúnmente comienzan a degradarse prematuramente, y las baterías sobrecalentadas pueden incendiarse. Eso ha llevado a casi todos los vehículos eléctricos EV a incluir sistemas de enfriamiento sofisticados y bastante costosos. "Por el contrario, las baterías de estado sólido pueden requerir solo calentadores, que sonsignificativamente menos costoso que los sistemas de enfriamiento.
Yushin y Xiao se sienten alentados por el potencial de este proceso de fabricación para permitir que los fabricantes de baterías produzcan baterías más ligeras, seguras y con mayor densidad de energía.
"La tecnología de infiltración por fusión desarrollada es compatible con una amplia gama de químicas de materiales, incluidos los denominados electrodos de tipo conversión. Se ha demostrado que estos materiales aumentan la densidad de energía de las celdas automotrices en más del 20% ahora y en más del 100%en el futuro ", dijo el coautor y científico investigador de Georgia Tech, Kostiantyn Turcheniuk, y señaló que las celdas de mayor densidad admiten rangos de conducción más largos. Las celdas necesitan electrodos de alta capacidad para ese salto de rendimiento.
La técnica de Georgia Tech aún no está lista comercialmente, pero Yushin predice que si una parte significativa del futuro mercado de vehículos eléctricos adopta baterías de estado sólido, "probablemente este sea el único camino a seguir", ya que permitirá a los fabricantes utilizar susinstalaciones de producción e infraestructura existentes.
"Es por eso que nos enfocamos en este proyecto; era una de las áreas de innovación más comercialmente viables para nuestro laboratorio", dijo.
Los precios de las celdas de batería alcanzan los $ 100 por kilovatio hora por primera vez en 2020. Según Yushin, deberán caer por debajo de los $ 70 por kilovatio hora antes de que el mercado de vehículos eléctricos de consumo pueda abrirse por completo. La innovación en baterías es fundamental para que eso ocurra.
El equipo del laboratorio de Ciencia de Materiales actualmente se enfoca en desarrollar otros electrolitos que tendrán puntos de fusión más bajos y conductividades más altas usando la misma técnica probada en el laboratorio.
Yushin prevé que el avance de fabricación de este equipo de investigación abrirá las compuertas a más innovación en esta área.
"Tantos científicos increíblemente inteligentes se centran en resolver problemas científicos muy desafiantes, mientras ignoran por completo la practicidad económica y técnica. Están estudiando y optimizando electrolitos de muy alta temperatura que no solo son dramáticamente más caros de usar en las celdas, sino que tambiéna cinco veces más pesado en comparación con los electrolitos líquidos ", explicó." Mi objetivo es impulsar a la comunidad de investigadores a mirar más allá de esa caja química ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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