19 de noviembre de 2023 (Proyector Nanowerk) La batería de iones de litio se ha vuelto omnipresente en nuestra vida diaria y alimenta todo tipo de cosas, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. Sin embargo, a medida que crece la demanda de baterías con mayor densidad de energía, tiempos de carga más rápidos, mayor seguridad y menores costos, los investigadores continúan ampliando los límites de la química y el diseño de las baterías. En un nuevo artículo de Perspective publicado en Materiales energéticos avanzados ("Una hoja de ruta para las baterías de estado sólido"), científicos del Instituto Fraunhofer de Investigación de Sistemas e Innovación y de la Universidad Justus Liebig trazan la trayectoria de desarrollo de una de las tecnologías de baterías de próxima generación más prometedoras: las baterías de estado sólido.
Ilustraciones gráficas de a) una batería de iones de litio de última generación con electrolito líquido y b) una batería de estado totalmente sólido con ánodo de metal de litio. (CC: colector de corriente; LE: electrolito líquido, SE: electrolito sólido; AAM/CAM: material activo del ánodo y cátodo, respectivamente; LMA: ánodo de metal litio). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Durante más de tres décadas, las innovaciones en baterías de iones de litio han mejorado constantemente su rendimiento. Pero las limitaciones fundamentales de sus electrolitos líquidos (el medio que transporta iones de litio entre el ánodo y el cátodo) se han convertido en obstáculos para seguir avanzando. Los electrolitos líquidos inflamables presentan riesgos para la seguridad, especialmente cuando se buscan densidades de energía más altas. También limitan los materiales viables para el ánodo. El grafito domina hoy en día las baterías comerciales de iones de litio, pero nuevos materiales anódicos de alta capacidad, como el litio metálico y el silicio, podrían permitir grandes avances en la densidad de energía si se combinan con un electrolito sólido no inflamable. Cambiar el líquido por un sólido eliminaría los problemas de inflamabilidad, permitiría el uso de ánodos de litio metálico o silicio y abriría nuevas posibilidades para la optimización de las baterías. Pero encontrar los materiales de electrolitos sólidos adecuados ha resultado difícil. "Aún no existe un electrolito sólido único ideal que combine una conductividad iónica a alta temperatura ambiente con una amplia estabilidad electroquímica", explica el Dr. Thomas Schmaltz, científico senior de Fraunhofer ISI y coautor del artículo. "El desafío es combinar todas las propiedades deseadas en un solo material". Esto ha llevado a los investigadores a explorar sistemas híbridos de electrolitos sólidos que combinan las ventajas de diferentes compuestos en un material compuesto. Los científicos de Fraunhofer y Justus Liebig trazan una hoja de ruta para el desarrollo basada en tres clases principales de materiales de electrolitos sólidos: polímeros, sulfuros y óxidos. Cada categoría tiene compensaciones. Los polímeros ofrecen mejor elasticidad pero fallan en cuanto a conductividad iónica a temperatura ambiente. Los sulfuros tienen buena conductividad pero tienen una estabilidad electroquímica estrecha. Los óxidos hacen alarde de una amplia estabilidad pero carecen de conductividad. Las combinaciones inteligentes de estos materiales emergen como un camino prometedor para diseñar un electrolito sólido óptimo. "Reemplazar el electrolito líquido del lado del cátodo por un sólido es el mayor desafío", afirma el Dr. Jürgen Janek, director del Centro de Investigación de Materiales de la Universidad Justus Liebig y coautor del estudio. "Para competir con las baterías de iones de litio, el electrolito de cátodo sólido de una batería de estado sólido de alto rendimiento necesita conductividades iónicas superiores a 10 mS/cm". Esta es una tarea difícil para cualquier material de electrolito sólido existente. Pero el descubrimiento de nuevos materiales y las innovaciones en sistemas compuestos podrían llegar pronto. Los investigadores destacan avances recientes como el descubrimiento de Li en 2020
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5 Vidrios que ofrecen conductividades superiores a 10 mS/cm. Es posible que haya más sorpresas guardadas. Los expertos de Fraunhofer y Justus Liebig no consideran que las baterías de estado sólido sean una revolución total en el ámbito de las baterías, sino más bien el siguiente paso en una evolución gradual. Las primeras baterías de estado sólido probablemente utilizarán materiales catódicos similares a los de las baterías de iones de litio actuales. "Es muy posible que los mismos materiales activos catódicos utilizados en las baterías de iones de litio con electrolitos líquidos sean concebibles o ya estén implementados en baterías de estado sólido basadas en litio", escriben los investigadores. Pero combinar esos cátodos con ánodos de litio metálico o silicio habilitados por electrolitos sólidos podría generar saltos significativos en la densidad de energía. Su hoja de ruta muestra que las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio y electrolitos sólidos de sulfuro u óxido alcanzarán la producción piloto entre 2025 y 2030. Empresas como Toyota ya han informado sobre prototipos que demuestran altas tasas de carga, ciclos extendidos y densidades de energía suficientes para aplicaciones de vehículos eléctricos. , Samsung SDI, SVolt y Solid Power.
Ilustraciones gráficas de conceptos prometedores de celdas SSB basados en a) SE de sulfuro independiente (naranja) con LMA, b) SE de sulfuro independiente (naranja) con ánodo de silicio, c) configuración híbrida que contiene SE no especificado como catolito y separador (violeta), y que representan el tendencia a agregar ciertas cantidades de líquidos o geles (catolito turquesa), d) separador SE de óxido (azul) con catolito sin óxido (sin especificar, violeta), y e) SE de polímero independiente (verde) con LMA. (CC: colector de corriente; SE: electrolito sólido; CAM: material activo del cátodo; LMA: ánodo de metal de litio; NMC: LiNi1-x-yMnxCoyO2; LFP: LiFePO4.) (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Otros pasos graduales incluyen baterías híbridas sólido-líquido que incorporan una pequeña cantidad de electrolito líquido para ayudar a la conducción y el contacto interfacial. Estos comprometen un poco la seguridad pero mejoran la capacidad de fabricación. Los investigadores prevén que los conceptos híbridos alcancen una escala de producción notable en los próximos años como solución provisional. Pero las baterías de metal de litio totalmente sólidas siguen siendo el objetivo a largo plazo. Estos enfrentan enormes obstáculos de fabricación a escala de mercado masivo junto con preguntas científicas sin respuesta sobre la supresión de dendritas y la adhesión de electrolitos. Aún así, los avances son rápidos. “La industria avanza rápidamente y ya se han anunciado anuncios de una capacidad de producción de casi 300 GWh”, observan los investigadores. No esperan que las baterías de estado sólido desplacen inmediatamente a las de iones de litio, pero ven que ganarán constantemente participación de mercado durante la próxima década. Con un progreso continuo en la investigación, avances en la fabricación y una ingeniería disciplinada, las baterías de estado sólido están preparadas para convertirse en las herederas de alta energía del trono actual de los iones de litio.
Ilustraciones gráficas de a) una batería de iones de litio de última generación con electrolito líquido y b) una batería de estado totalmente sólido con ánodo de metal de litio. (CC: colector de corriente; LE: electrolito líquido, SE: electrolito sólido; AAM/CAM: material activo del ánodo y cátodo, respectivamente; LMA: ánodo de metal litio). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Durante más de tres décadas, las innovaciones en baterías de iones de litio han mejorado constantemente su rendimiento. Pero las limitaciones fundamentales de sus electrolitos líquidos (el medio que transporta iones de litio entre el ánodo y el cátodo) se han convertido en obstáculos para seguir avanzando. Los electrolitos líquidos inflamables presentan riesgos para la seguridad, especialmente cuando se buscan densidades de energía más altas. También limitan los materiales viables para el ánodo. El grafito domina hoy en día las baterías comerciales de iones de litio, pero nuevos materiales anódicos de alta capacidad, como el litio metálico y el silicio, podrían permitir grandes avances en la densidad de energía si se combinan con un electrolito sólido no inflamable. Cambiar el líquido por un sólido eliminaría los problemas de inflamabilidad, permitiría el uso de ánodos de litio metálico o silicio y abriría nuevas posibilidades para la optimización de las baterías. Pero encontrar los materiales de electrolitos sólidos adecuados ha resultado difícil. "Aún no existe un electrolito sólido único ideal que combine una conductividad iónica a alta temperatura ambiente con una amplia estabilidad electroquímica", explica el Dr. Thomas Schmaltz, científico senior de Fraunhofer ISI y coautor del artículo. "El desafío es combinar todas las propiedades deseadas en un solo material". Esto ha llevado a los investigadores a explorar sistemas híbridos de electrolitos sólidos que combinan las ventajas de diferentes compuestos en un material compuesto. Los científicos de Fraunhofer y Justus Liebig trazan una hoja de ruta para el desarrollo basada en tres clases principales de materiales de electrolitos sólidos: polímeros, sulfuros y óxidos. Cada categoría tiene compensaciones. Los polímeros ofrecen mejor elasticidad pero fallan en cuanto a conductividad iónica a temperatura ambiente. Los sulfuros tienen buena conductividad pero tienen una estabilidad electroquímica estrecha. Los óxidos hacen alarde de una amplia estabilidad pero carecen de conductividad. Las combinaciones inteligentes de estos materiales emergen como un camino prometedor para diseñar un electrolito sólido óptimo. "Reemplazar el electrolito líquido del lado del cátodo por un sólido es el mayor desafío", afirma el Dr. Jürgen Janek, director del Centro de Investigación de Materiales de la Universidad Justus Liebig y coautor del estudio. "Para competir con las baterías de iones de litio, el electrolito de cátodo sólido de una batería de estado sólido de alto rendimiento necesita conductividades iónicas superiores a 10 mS/cm". Esta es una tarea difícil para cualquier material de electrolito sólido existente. Pero el descubrimiento de nuevos materiales y las innovaciones en sistemas compuestos podrían llegar pronto. Los investigadores destacan avances recientes como el descubrimiento de Li en 20202SP
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5 Vidrios que ofrecen conductividades superiores a 10 mS/cm. Es posible que haya más sorpresas guardadas. Los expertos de Fraunhofer y Justus Liebig no consideran que las baterías de estado sólido sean una revolución total en el ámbito de las baterías, sino más bien el siguiente paso en una evolución gradual. Las primeras baterías de estado sólido probablemente utilizarán materiales catódicos similares a los de las baterías de iones de litio actuales. "Es muy posible que los mismos materiales activos catódicos utilizados en las baterías de iones de litio con electrolitos líquidos sean concebibles o ya estén implementados en baterías de estado sólido basadas en litio", escriben los investigadores. Pero combinar esos cátodos con ánodos de litio metálico o silicio habilitados por electrolitos sólidos podría generar saltos significativos en la densidad de energía. Su hoja de ruta muestra que las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio y electrolitos sólidos de sulfuro u óxido alcanzarán la producción piloto entre 2025 y 2030. Empresas como Toyota ya han informado sobre prototipos que demuestran altas tasas de carga, ciclos extendidos y densidades de energía suficientes para aplicaciones de vehículos eléctricos. , Samsung SDI, SVolt y Solid Power.
Ilustraciones gráficas de conceptos prometedores de celdas SSB basados en a) SE de sulfuro independiente (naranja) con LMA, b) SE de sulfuro independiente (naranja) con ánodo de silicio, c) configuración híbrida que contiene SE no especificado como catolito y separador (violeta), y que representan el tendencia a agregar ciertas cantidades de líquidos o geles (catolito turquesa), d) separador SE de óxido (azul) con catolito sin óxido (sin especificar, violeta), y e) SE de polímero independiente (verde) con LMA. (CC: colector de corriente; SE: electrolito sólido; CAM: material activo del cátodo; LMA: ánodo de metal de litio; NMC: LiNi1-x-yMnxCoyO2; LFP: LiFePO4.) (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Otros pasos graduales incluyen baterías híbridas sólido-líquido que incorporan una pequeña cantidad de electrolito líquido para ayudar a la conducción y el contacto interfacial. Estos comprometen un poco la seguridad pero mejoran la capacidad de fabricación. Los investigadores prevén que los conceptos híbridos alcancen una escala de producción notable en los próximos años como solución provisional. Pero las baterías de metal de litio totalmente sólidas siguen siendo el objetivo a largo plazo. Estos enfrentan enormes obstáculos de fabricación a escala de mercado masivo junto con preguntas científicas sin respuesta sobre la supresión de dendritas y la adhesión de electrolitos. Aún así, los avances son rápidos. “La industria avanza rápidamente y ya se han anunciado anuncios de una capacidad de producción de casi 300 GWh”, observan los investigadores. No esperan que las baterías de estado sólido desplacen inmediatamente a las de iones de litio, pero ven que ganarán constantemente participación de mercado durante la próxima década. Con un progreso continuo en la investigación, avances en la fabricación y una ingeniería disciplinada, las baterías de estado sólido están preparadas para convertirse en las herederas de alta energía del trono actual de los iones de litio.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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