Los ingenieros crearon un nuevo tipo de batería que combina dos subcampos de batería prometedores en una sola batería. La batería utiliza un electrolito de estado sólido y un ánodo de silicio, lo que la convierte en una batería de estado sólido de silicio. La inicialLas rondas de pruebas muestran que la nueva batería es segura, duradera y densa en energía. Es prometedora para una amplia gama de aplicaciones, desde almacenamiento en red hasta vehículos eléctricos.
La tecnología de la batería se describe en la edición de la revista del 24 de septiembre de 2021 ciencia . Nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego dirigieron la investigación, en colaboración con investigadores de LG Energy Solution.
Los ánodos de silicio son famosos por su densidad de energía, que es 10 veces mayor que los ánodos de grafito que se utilizan con mayor frecuencia en las baterías comerciales de iones de litio de hoy. Por otro lado, los ánodos de silicio son famosos por la forma en que se expanden y contraen a medida que la batería se carga ydescargas, y por cómo se degradan con electrolitos líquidos. Estos desafíos han mantenido los ánodos de silicio fuera de las baterías comerciales de iones de litio a pesar de la tentadora densidad de energía. El nuevo trabajo publicado en ciencia proporciona un camino prometedor para los ánodos totalmente de silicio, gracias al electrolito adecuado.
"Con esta configuración de batería, estamos abriendo un nuevo territorio para las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de aleación como el silicio", dijo Darren HS Tan, autor principal del artículo. Recientemente completó su doctorado en ingeniería química en la UC SanDiego Jacobs School of Engineering y cofundó una startup UNIGRID Battery que ha licenciado esta tecnología.
Las baterías de estado sólido de próxima generación con altas densidades de energía siempre se han basado en el litio metálico como ánodo. Pero eso impone restricciones en las tasas de carga de la batería y la necesidad de temperatura elevada generalmente 60 grados Celsius o más durante la carga.El ánodo de silicio supera estas limitaciones, lo que permite tasas de carga mucho más rápidas en la habitación a bajas temperaturas, mientras mantiene altas densidades de energía.
El equipo demostró una celda completa a escala de laboratorio que ofrece 500 ciclos de carga y descarga con una retención de capacidad del 80% a temperatura ambiente, lo que representa un progreso emocionante para las comunidades de baterías de ánodo de silicio y de estado sólido.
Silicio como ánodo para reemplazar el grafito
Los ánodos de silicio, por supuesto, no son nuevos. Durante décadas, los científicos y los fabricantes de baterías han considerado el silicio como un material denso en energía para mezclar o reemplazar por completo los ánodos de grafito convencionales en las baterías de iones de litio. Teóricamente, el silicio ofreceaproximadamente 10 veces la capacidad de almacenamiento del grafito. Sin embargo, en la práctica, las baterías de iones de litio con silicio agregado al ánodo para aumentar la densidad de energía generalmente sufren problemas de rendimiento en el mundo real: en particular, la cantidad de veces que se puede cargar y descargar la bateríamientras que mantener el rendimiento no es lo suficientemente alto.
Gran parte del problema se debe a la interacción entre los ánodos de silicio y los electrolitos líquidos con los que se han emparejado. La situación se complica por la expansión de gran volumen de partículas de silicio durante la carga y descarga. Esto da como resultado graves pérdidas de capacidad con el tiempo.
"Como investigadores de baterías, es vital abordar los problemas de raíz en el sistema. Para los ánodos de silicio, sabemos que uno de los grandes problemas es la inestabilidad de la interfaz del electrolito líquido", dijo Shirley Meng, profesora de nanoingeniería de UC San Diego, autora correspondiente.sobre el ciencia papel y director del Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales en UC San Diego. "Necesitábamos un enfoque totalmente diferente", dijo Meng.
De hecho, el equipo dirigido por UC San Diego adoptó un enfoque diferente: eliminaron el carbono y los aglutinantes que iban con los ánodos de silicio. Además, los investigadores utilizaron micro-silicio, que es menos procesado y menos costoso que el nano-silicio que se usa con más frecuencia.
Una solución totalmente de estado sólido
Además de eliminar todo el carbono y los aglutinantes del ánodo, el equipo también eliminó el electrolito líquido. En su lugar, utilizaron un electrolito sólido a base de sulfuro. Sus experimentos mostraron que este electrolito sólido es extremadamente estable en baterías con ánodos totalmente de silicio.
"Este nuevo trabajo ofrece una solución prometedora al problema del ánodo de silicio, aunque hay más trabajo por hacer", dijo el profesor Meng, "Veo este proyecto como una validación de nuestro enfoque de la investigación de baterías aquí en UC San Diego.Combina el trabajo teórico y experimental más riguroso con la creatividad y el pensamiento innovador. También sabemos cómo interactuar con socios de la industria mientras perseguimos desafíos fundamentales difíciles ".
Los esfuerzos anteriores para comercializar ánodos de aleación de silicio se centran principalmente en compuestos de silicio-grafito o en la combinación de partículas nanoestructuradas con aglutinantes poliméricos. Pero aún luchan con una estabilidad deficiente.
Al cambiar el electrolito líquido por un electrolito sólido y, al mismo tiempo, eliminar el carbono y los aglutinantes del ánodo de silicio, los investigadores evitaron una serie de desafíos relacionados que surgen cuando los ánodos se empapan en el electrolito líquido orgánico como bateríafunciones.
Al mismo tiempo, al eliminar el carbono en el ánodo, el equipo redujo significativamente el contacto interfacial y las reacciones secundarias no deseadas con el electrolito sólido, evitando la pérdida continua de capacidad que suele ocurrir con los electrolitos de base líquida.
Este movimiento en dos partes permitió a los investigadores aprovechar plenamente los beneficios de las propiedades del silicio de bajo costo, alta energía y ambientalmente benignas.
Comercialización de impacto y spin-off
"El enfoque de silicio de estado sólido supera muchas limitaciones en las baterías convencionales. Nos presenta oportunidades interesantes para satisfacer las demandas del mercado de energía volumétrica más alta, costos reducidos y baterías más seguras, especialmente para el almacenamiento de energía en la red", dijo Darren HS Tan, elprimer autor en el ciencia papel.
A menudo se creía que los electrolitos sólidos a base de sulfuro eran muy inestables. Sin embargo, esto se basó en las interpretaciones termodinámicas tradicionales utilizadas en los sistemas de electrolitos líquidos, que no tenían en cuenta la excelente estabilidad cinética de los electrolitos sólidos. El equipo vio la oportunidad de utilizaresta propiedad contradictoria para crear un ánodo altamente estable.
Tan es el CEO y cofundador de una startup, UNIGRID Battery, que ha licenciado la tecnología para estas baterías de estado sólido de silicio.
En paralelo, el trabajo fundamental relacionado continuará en UCSan Diego, incluida la colaboración de investigación adicional con LG Energy Solution.
"LG Energy Solution se complace en que las últimas investigaciones sobre tecnología de baterías con UC San Diego aparezcan en la revista de ciencia , un reconocimiento significativo ", dijo Myung-hwan Kim, presidente y director de adquisiciones de LG Energy Solution." Con el último hallazgo, LG Energy Solution está mucho más cerca de realizar técnicas de baterías totalmente de estado sólido, quenuestra línea de productos de baterías ".
"Como fabricante líder de baterías, LGES continuará su esfuerzo para fomentar técnicas de vanguardia en la investigación líder de celdas de batería de próxima generación", agregó Kim. LG Energy Solution dijo que planea expandir aún más su sólida-colaboración estatal de investigación de baterías con UC San Diego.
El estudio fue respaldado por la innovación abierta de LG Energy Solution, un programa que apoya activamente la investigación relacionada con las baterías. LGES ha estado trabajando con investigadores de todo el mundo para fomentar técnicas relacionadas.
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