La mayoría de las baterías están compuestas por dos capas sólidas, electroquímicamente activas llamadas electrodos, separadas por una membrana de polímero infundida con un electrolito líquido o gel. Pero investigaciones recientes han explorado la posibilidad de baterías de estado sólido, en las cuales el líquido yelectrolito potencialmente inflamable sería reemplazado por un electrolito sólido, lo que podría mejorar la densidad de energía y la seguridad de las baterías.
Ahora, por primera vez, un equipo del MIT ha investigado las propiedades mecánicas de un material de electrolito sólido a base de sulfuro, para determinar su rendimiento mecánico cuando se incorpora a las baterías.
Los nuevos hallazgos se publicaron esta semana en la revista Materiales de energía avanzada en un documento de Frank McGrogan y Tushar Swamy, ambos estudiantes de posgrado del MIT; Krystyn Van Vliet, Michael 1949 y Sonja Koerner, profesora de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Yet-Ming Chiang, profesora de ciencia e ingeniería de materiales;y otros cuatro, incluido un participante de pregrado en el programa de Experiencia de Investigación para Pregrado REU de la Fundación Nacional de Ciencias administrado por el Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT y su Centro de Procesamiento de Materiales.
Las baterías de iones de litio han proporcionado una solución liviana de almacenamiento de energía que ha habilitado muchos de los dispositivos de alta tecnología actuales, desde teléfonos inteligentes hasta automóviles eléctricos. Pero sustituir el electrolito líquido convencional con un electrolito sólido en tales baterías podría tener ventajas significativas.las baterías de iones de litio de estado sólido podrían proporcionar una capacidad de almacenamiento de energía aún mayor, libra por libra, al nivel de la batería. También pueden eliminar virtualmente el riesgo de pequeñas proyecciones metálicas en forma de dedos llamadas dendritas que pueden crecer a través de la capa de electrolitos yconducir a cortocircuitos.
"Las baterías con componentes que son sólidos son opciones atractivas para el rendimiento y la seguridad, pero quedan varios desafíos", dice Van Vliet. En las baterías de iones de litio que dominan el mercado hoy en día, los iones de litio pasan a través de un electrolito líquido para obtener deun electrodo al otro mientras se carga la batería y luego fluye en la dirección opuesta a la que se está utilizando. Estas baterías son muy eficientes, pero "los electrolitos líquidos tienden a ser químicamente inestables e incluso pueden ser inflamables".ella dice: "Entonces, si el electrolito era sólido, podría ser más seguro, así como más pequeño y ligero"
Pero la gran pregunta con respecto al uso de tales baterías totalmente sólidas es qué tipos de tensiones mecánicas pueden ocurrir dentro del material electrolítico a medida que los electrodos se cargan y descargan repetidamente. Este ciclo hace que los electrodos se hinchen y se contraigan a medida que pasan los iones de litioy fuera de su estructura cristalina. En un electrolito rígido, esos cambios dimensionales pueden conducir a tensiones elevadas. Si el electrolito también es frágil, ese cambio constante de dimensiones puede provocar grietas que degradan rápidamente el rendimiento de la batería e incluso podrían proporcionar canales para dañarse forman dendritas, como lo hacen en las baterías de electrolitos líquidos. Pero si el material es resistente a la fractura, esas tensiones podrían adaptarse sin agrietarse rápidamente.
Hasta ahora, sin embargo, la extrema sensibilidad del sulfuro al aire de laboratorio normal ha planteado un desafío para medir las propiedades mecánicas, incluida su resistencia a la fractura. Para sortear este problema, los miembros del equipo de investigación realizaron las pruebas mecánicas en un baño de aceite mineral, protegiendola muestra de cualquier interacción química con el aire o la humedad. Utilizando esa técnica, pudieron obtener mediciones detalladas de las propiedades mecánicas del sulfuro conductor de litio, que se considera un candidato prometedor para electrolitos en baterías de estado sólido.
"Hay muchos candidatos diferentes para electrolitos sólidos", dice McGrogan. Otros grupos han estudiado las propiedades mecánicas de los óxidos conductores de iones de litio, pero hasta ahora ha habido poco trabajo sobre los sulfuros, aunque estos son especialmenteprometedor debido a su capacidad para conducir iones de litio de manera fácil y rápida.
Investigadores anteriores usaron técnicas de medición acústica, pasando ondas de sonido a través del material para probar su comportamiento mecánico, pero ese método no cuantifica la resistencia a la fractura. Pero el nuevo estudio, que utilizó una sonda de punta fina para penetrar en el material ysupervisa sus respuestas, ofrece una imagen más completa de las propiedades importantes, incluida la dureza, la resistencia a la fractura y el módulo de Young una medida de la capacidad de un material para estirarse de forma reversible bajo una tensión aplicada.
"Los grupos de investigación han medido las propiedades elásticas de los electrolitos sólidos a base de sulfuro, pero no las propiedades de fractura", dice Van Vliet. Estos últimos son cruciales para predecir si el material podría romperse o romperse cuando se usa en una aplicación de batería.
Los investigadores encontraron que el material tiene una combinación de propiedades algo similares a la masilla tonta o al caramelo salado: cuando se somete a estrés, puede deformarse fácilmente, pero a un estrés suficientemente alto puede romperse como un pedazo de vidrio quebradizo.
Al conocer esas propiedades en detalle, "puede calcular cuánto estrés puede tolerar el material antes de que se fracture" y diseñar sistemas de baterías con esa información en mente, dice Van Vliet.
El material resulta ser más frágil de lo que sería ideal para el uso de la batería, pero siempre que se conozcan sus propiedades y se diseñen los sistemas en consecuencia, aún podría tener potencial para tales usos, dice McGrogan. "Hay que diseñar alrededor de esoconocimiento."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :