Una nueva batería de estado sólido sorprende a los investigadores que la crearon

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Sep 24, 2021, 13:08 ET

Los ingenieros crean una batería de estado sólido de alto rendimiento con un ánodo de silicio puro

SEÚL, Corea del Sur, 24 de septiembre de 2021 /PRNewswire/ -- Los ingenieros crearon un nuevo tipo de batería que entrelaza dos subcampos de batería prometedores por medio de una sola batería. La batería utiliza tanto un electrolito de estado sólido como un ánodo de silicio, lo que la convierte en una batería de estado sólido de silicio. Las rondas iniciales de pruebas han demostrado que la nueva batería es segura, duradera y densa en energía. Es prometedor para una amplia gama de aplicaciones, abarcando desde almacenamiento en red hasta vehículos eléctricos.

La tecnología de la batería se describe en la edición del 24 de septiembre de 2021 de la revista Science. 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 superior a la que presentan los ánodos de grafito que se utilizan con mayor frecuencia en las baterías comerciales de iones de litio de la actualidad. Por otra parte, los ánodos de silicio son famosos por la forma en que se expanden y contraen a medida que la batería se carga y descarga, y por cómo se degradan con los electrolitos líquidos. Estos retos han conseguido mantener a los ánodos de silicio totalmente fuera de las baterías comerciales de iones de litio a pesar de la tentadora densidad de energía. El nuevo trabajo publicado en Science proporciona un camino prometedor para los ánodos totalmente de silicio, y todo ello gracias al electrolito adecuado.

"Gracias a esta configuración de batería, estamos abriendo un nuevo territorio para las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de aleación como el silicio", comentó Darren H. S. Tan, autor principal del artículo. Recientemente ha finalizado su doctorado en ingeniería química en la UC San Diego Jacobs School of Engineering y cofundó una empresa de nueva creación UNIGRID Battery que ha obtenido la licencia de esta tecnología.

Las baterías de estado sólido de próxima generación y que cuentan con elevadas 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 una temperatura elevada (generalmente 60 grados Celsius o más) durante la carga. El ánodo de silicio supera estas limitaciones, lo que sirve para alcanzar velocidades de carga mucho más rápidas en la habitación a bajas temperaturas, a la vez que mantiene altas densidades de energía.

El equipo ha llevado a cabo la demostración de 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 tanto para las comunidades de ánodo de silicio como de baterías de estado sólido.

Silicio como ánodo para sustituir al grafito

Por supuesto, los ánodos de silicio 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. En teoría, el silicio ofrece aproximadamente diez 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 la batería se puede cargar y descargar mientras se mantiene el rendimiento no es lo suficientemente alta.

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 de vital importancia hacer frente a 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", explicó la profesora de nanoingeniería de UC San Diego, Shirley Meng, autora correspondiente del Documento científico y directora del Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales en UC San Diego. "Necesitábamos un enfoque totalmente diferente", comentó Meng.

Es por ello que el equipo de UC San Diego adoptó un enfoque diferente: eliminaron el carbono y los aglutinantes fueron con ánodos totalmente de silicio. Además, los investigadores utilizaron micro-silicio, que cuenta con un procesamiento inferior y es menos costoso que el nano-silicio que se usa con más frecuencia.

Una solución de estado sólido completo

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 demostraron que este electrolito sólido cuenta con una estabilidad enorme 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", explicó la profesora Shirley Meng, "Veo este proyecto como una validación de nuestro enfoque para la investigación de baterías aquí en UC San Diego. Combinamos el trabajo teórico y experimental más riguroso con creatividad y pensamiento innovador. También sabemos cómo interactuar con socios de la industria mientras perseguimos desafíos fundamentales difíciles".

Los esfuerzos anteriores llevados a cabo de cara a comercializar ánodos de aleación de silicio se centraron principalmente en compuestos de silicio-grafito, o mediante la combinación de partículas nanoestructuradas con aglutinantes poliméricos. Pero todavía lucharon con la mala estabilidad.

Al realizar el cambio del 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 mientras funciona la batería.

A su vez, 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 de dos partes permitió a los investigadores aprovechar plenamente los beneficios de las propiedades del silicio de bajo coste, alta energía y que son ambientalmente benignas.

Impacto y comercialización de separación

"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, costes reducidos y baterías más seguras, especialmente para el almacenamiento de energía en la red", indicó Darren HS Tan, el principal autor del artículo de Sciencie.

Normalmente se pensaba 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 tuvieron en cuenta la excelente estabilidad cinética de los electrolitos sólidos. El equipo vio la oportunidad de utilizar esta propiedad contradictoria con el objetivo de crear un ánodo altamente estable.

Tan es el consejero delegado y cofundador de una empresa de nueva creación, UNIGRID Battery, que ha concedido la licencia de la tecnología para estas baterías de estado sólido de silicio.

De forma paralela, el trabajo fundamental relacionado continuará en UC San Diego, incluida la colaboración de investigación adicional con LG Energy Solution.

"LG Energy Solution está encantada de que la última investigación sobre tecnología de baterías con UC San Diego haya aparecido en la revista Science, un reconocimiento significativo", explicó 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, que diversificarían enormemente nuestra línea de productos de baterías".

"Como fabricante líder de baterías, LGES continuará su esfuerzo por fomentar técnicas de vanguardia en la investigación líder de celdas de batería de próxima generación", añadió Kim. LG Energy Solution dijo que planea expandir aún más su colaboración de investigación de baterías de estado sólido con UC San Diego.

El estudio contó con el apoyo de 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.

Título del documento
"Carbon Free High Loading Silicon Anodes Enabled by Sulfide Solid Electrolytes", en el número del 24 de septiembre de 2021 de Science.

Autores
Darren H. S. Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik A. Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen y Ying Shirley Meng del Departmento de Nanoingeniería del Programa de Ingeniería Química y Energía Sostenible y Centro de Energía (SPEC) de la Universidad de California San Diego Jacobs School of Engineering; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, de LG Energy Solution, Ltd.

Fondos
Este estudio ha recibido la financiación de la empresa LG Energy Solution a través del programa Battery Innovation Contest (BIC). Z.C. reconoce la financiación del apoyo del fondo de puesta en marcha de la Escuela de Ingeniería Jacob de la Universidad de California en San Diego. Y.S.M. reconoce el apoyo financiero de Zable Endowed Chair Fund.

Acerca de LG Energy Solution
LG Energy Solution es un líder mundial en el suministro de baterías de iones de litio avanzadas para vehículos eléctricos (VE), aplicaciones de movilidad y TI y sistemas de almacenamiento de energía (ESS). Con 30 años de experiencia en tecnología avanzada de baterías, continúa creciendo rápidamente hacia la realización de una vida sostenible. Con más de 24.000 empleados que trabajan dentro de su sólida red global que se extiende por Estados Unidos, Europa, Asia y Australia, LG Energy Solution está más comprometida que nunca con el desarrollo de tecnologías innovadoras que acercarán un paso más la energía del futuro. Para obtener más información, visite https://www.lgensol.com.