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Investigadores de la Universidad de Oxford han descubierto por qué fallan las baterías de estado sólido de metal de litio (Li-SSB), lo que podría conducir a mejores baterías para vehículos eléctricos.
El equipo descubrió que la formación y el crecimiento de “dendritas” provocan un cortocircuito en las baterías. Esto podría ayudar a resolver algunos de los problemas técnicos que están retrasando el desarrollo de las baterías de estado sólido.
- Un nuevo estudio ha descubierto cómo se descomponen las baterías de estado sólido de metal de litio.
- Los investigadores utilizaron un método de imágenes de alta resolución para ver cómo se cargaban las baterías con un nivel de detalle nunca antes visto.
- La nueva información podría ayudar a resolver los problemas técnicos con las baterías de estado sólido y abrir la puerta a una tecnología que podría cambiar la forma en que funcionan los autos y aviones eléctricos.
Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford y publicado en Nature el 7 de junio podría ser un paso hacia la fabricación de baterías de vehículos eléctricos (EV) mucho mejores. Usando nuevos métodos de imagen, se encontraron las formas en que fallan las baterías de estado sólido de metal de litio (Li-SSB). Si estos problemas se pueden resolver, las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio podrían marcar una gran diferencia en el alcance, la seguridad y el rendimiento de las baterías EV y ayudar a que los aviones eléctricos avancen.
El desarrollo de baterías de estado sólido que utilizan ánodos de metal de litio es una de las dificultades más importantes que enfrenta el avance de la tecnología de baterías, según Dominic Melvin, uno de los coautores del estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Materiales de la Universidad. de Oxford. La investigación sobre baterías de estado sólido tiene el potencial de ser muy gratificante y una tecnología que cambia el juego, a pesar de que las baterías de iones de litio de hoy seguirán mejorando.
Debido a que los Li-SSB usan metal de litio como ánodo (electrodo negativo) en lugar del electrolito líquido inflamable que se encuentra en las baterías tradicionales, se destacan de otras baterías. La seguridad aumenta al usar un electrolito sólido y se puede almacenar más energía gracias al uso de metal de litio. Pero un problema importante con los Li-SSB es que son propensos a cortocircuitos cuando se cargan debido al desarrollo de “dendritas”: filamentos de metal de litio que atraviesan el electrolito cerámico. Investigadores de los Departamentos de Materiales, Química y Ciencias de la Ingeniería de la Universidad de Oxford han llevado a cabo una serie de investigaciones en profundidad como parte del proyecto SOLBAT de la Institución Faraday para obtener más información sobre cómo se produce este cortocircuito.
En este trabajo más reciente, el grupo utilizó un método de imagen avanzado llamado radiografía tomografía computarizada en Diamond Light Source para ver la falla de las dendritas durante el proceso de carga con más detalle que nunca. El nuevo estudio de imágenes mostró que las grietas en las dendritas comienzan y se propagan de diferentes maneras causadas por diferentes mecanismos subyacentes. Las grietas de dendrita comienzan cuando el litio se acumula en los agujeros debajo de la superficie. Cuando los poros están llenos, cargar la batería nuevamente aumenta la presión, lo que hace que la batería se agriete. Por otro lado, la propagación ocurre cuando el litio solo llena parte de la grieta. Esto se hace mediante un dispositivo de apertura de cuña que empuja la grieta desde atrás.
Esta nueva comprensión muestra cómo avanzar para resolver los problemas con la tecnología Li-SSB. Dominic Melvin dijo: “Por ejemplo, la presión en el ánodo de litio puede ser buena para evitar que se formen espacios en la interfaz con el electrolito sólido cuando la batería se está descargando. Sin embargo, nuestros resultados muestran que demasiada presión puede ser mala, lo que hace más probable que crezcan dendritas y que la batería se cortocircuite cuando se está cargando”.
Sir Peter Bruce, presidente de Wolfson, profesor de materiales en la Universidad de Oxford, científico jefe de la Institución Faraday y autor correspondiente del estudio, dijo: “Ha sido difícil descubrir cómo un metal blando como el litio puede atravesar un electrolito cerámico denso y duro, pero muchos científicos excelentes de todo el mundo han hecho contribuciones importantes”. Esperamos que la nueva información que hemos aprendido ayude a avanzar los estudios sobre baterías de estado sólido hacia un dispositivo que pueda usarse en la vida real”.
Un informe reciente de la Institución Faraday dice que para 2040, las SSB podrían satisfacer el 50 % de la demanda mundial de baterías en productos electrónicos de consumo, el 30 % de la demanda en transporte y más del 10 % de la demanda en aeronaves.
Con el fin de realizar baterías de alta potencia con un rendimiento comercialmente viable para aplicaciones automotrices, la profesora Pam Thomas, directora ejecutiva de la Institución Faraday, dijo: “Los investigadores de SOLBAT continúan desarrollando una comprensión mecánica de la falla de la batería de estado sólido. La investigación proporciona a los fabricantes de células técnicas potenciales para evitar fallas en las células de esta tecnología. Esta investigación fue motivada por una aplicación, que es una ilustración perfecta del tipo de avances científicos para los que se creó la Institución Faraday.
