Los científicos corrigen una falla crucial con baterías de estado sólido que podrían cargar completamente los coches eléctricos en 10 minutos

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Las baterías de metal de litio, también conocidas como baterías de estado sólido debido al uso de electrodos sólidos y un electrolito sólido, se consideran el próximo salto en la tecnología de baterías. Estos dispositivos prometen ampliar los límites y las limitaciones de las baterías de iones de litio actuales, resolviendo así muchos de los problemas que tenemos con los vehículos eléctricos (EV) en la actualidad. El problema es que esta tecnología todavía es experimental y los prototipos que hemos visto hasta ahora no han sido lo suficientemente estables para el uso generalizado, hasta ahora.

En un nuevo estudio, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de la Universidad de Harvard han descrito cómo han resuelto un defecto inherente en las baterías de estado sólido, haciéndolas mucho más estables. Si todo se confirma en el futuro, esta tecnología podría usarse para aumentar la vida útil de los vehículos eléctricos a la de los de gasolina, en el rango de 10 a 15 años, sin necesidad de reemplazar la batería. Además, debido a su densidad de corriente muy alta, una batería de estado sólido puede cargar completamente un EV en 10-20 minutos.

Esta es realmente una tecnología que cambia el juego, ya que la ‘ansiedad por el alcance’ (el temor de que no pueda cargar su vehículo eléctrico mientras está en la carretera en un período de tiempo aceptable) y las preocupaciones sobre la vida útil de la batería de iones de litio son algunas de las razones por las que los posibles compradores de automóviles dudan en cambiarse a EV. Pero una vez que las baterías de estado sólido entran en escena, la tasa de adopción de los vehículos eléctricos se disparará, dejando a los vehículos propulsados ​​por gasolina en el polvo, al igual que el caballo y el buggy se volvieron obsoletos a principios del siglo pasado.

Solucionando un problema de 40 años que afecta a las baterías de estado sólido

El avance implica un enfoque de múltiples capas para ensamblar la batería de estado sólido, lo que le permite recuperarse automáticamente y resolver el problema de degradación que plagó a las generaciones anteriores.

A diferencia de las baterías de iones de litio, las baterías de estado sólido no contienen electrolitos líquidos pesados. En su lugar, se usa un electrolito sólido que puede estar en forma de vidrio, cerámica u otros materiales sólidos. Sin la necesidad de un líquido, las baterías de estado sólido pueden ser mucho más densas y compactas, lo que se traduce en más rango.

Las baterías de estado sólido no son nuevas. Han existido durante décadas, con aplicaciones que incluyen la alimentación de marcapasos, dispositivos portátiles y RFID. Pero las aplicaciones de servicio pesado como automóviles o incluso computadoras portátiles no han sido posibles hasta ahora debido a una serie de limitaciones.

Al igual que otras tecnologías emergentes, las baterías de estado sólido son, por el momento, prohibitivamente caras debido a los costos de desarrollo y las dificultades de fabricación a escala.

Además, las baterías de estado sólido tienen un defecto químico inherente. Se degradan rápidamente después de varios ciclos de carga y descarga debido a la acumulación de dendritas de litio, piezas delgadas de litio en forma de árbol que se ramifican y pueden perforar la batería, lo que provoca cortocircuitos y otros problemas. La única solución es reemplazar la batería ya que el ánodo de metal de litio está comprometido. Se ha realizado mucha investigación para resolver este problema, sin mucho que mostrar.

“Una batería de metal de litio se considera el santo grial de la química de la batería debido a su alta capacidad y densidad de energía”, dijo Xin Li, profesor asociado de ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). “Pero la estabilidad de estas baterías siempre ha sido pobre”.

Un sándwich de electrolitos

Ahora, los investigadores de la Universidad de Harvard pueden haber resuelto este rompecabezas. Han empleado un diseño multicapa que rellena las grietas generadas con “descomposiciones generadas dinámicamente”. Las dendritas aún se forman, pero este diseño evita la penetración de las dendritas de litio al controlarlas y contenerlas.

“Nuestro diseño multicapa tiene la estructura de un electrolito menos estable intercalado entre electrolitos sólidos más estables, lo que evita cualquier crecimiento de dendrita de litio”, escribieron los investigadores que compararon su diseño con el de un sándwich BLT. En serio.

El pan representa el ánodo de litio-metal, la lechuga es el grafito conductor, los tomates representan el primer electrolito jugoso, mientras que el tocino es el segundo electrolito. Crédito: Harvard SEAS.

El primer electrolito es más estable con litio pero más propenso a la penetración de dendrita. La segunda capa de electrolito es menos estable pero las dendritas no pueden romperla. Entonces, las dendritas pueden crecer y acumularse a través de la lechuga y el tomate, pero se detienen en el tocino.

“Nuestra estrategia de incorporar inestabilidad para estabilizar la batería se siente contraria a la intuición, pero al igual que un ancla puede guiar y controlar un tornillo que se estrella contra una pared, nuestra guía de diseño multicapa también puede controlar el crecimiento de las dendritas”, dijo Luhan Ye, co -autor del artículo y estudiante de posgrado en SEAS.

“La diferencia es que nuestro anclaje rápidamente se vuelve demasiado apretado para que la dendrita pueda perforar, por lo que se detiene el crecimiento de la dendrita”, agregó Li.

Durante las pruebas, estas baterías de estado sólido multicapa mantuvieron el 82% de su carga después de 10,000 ciclos, lo que es competitivo con la vida útil de un automóvil impulsado por combustibles fósiles.

Las implicaciones son inmensas. Si una batería de este tipo se puede fabricar a escala, podría mejorar drásticamente el alcance y, lo que es más importante, el tiempo de carga de los vehículos eléctricos. Toyota tiene como objetivo vender su primer vehículo eléctrico impulsado por una batería de estado sólido antes de 2030, mientras que varios otros fabricantes de automóviles están trabajando en asociación con los productores de baterías en sus propios proyectos. Volkswagen, por ejemplo, anunció una asociación con QuantumScape, con sede en California, para impulsar el uso comercial de estas baterías para 2024.

“Este diseño de prueba de concepto muestra que las baterías de estado sólido de metal de litio podrían ser competitivas con las baterías comerciales de iones de litio”, dijo Li. “Y la flexibilidad y versatilidad de nuestro diseño multicapa lo hace potencialmente compatible con los procedimientos de producción en masa en la industria de las baterías. No será fácil escalarlo a la batería comercial y todavía existen algunos desafíos prácticos, pero creemos que se superarán “.