En el camino hacia un mejor sólido

Un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad Estatal de Florida ha diseñado un nuevo modelo para baterías de estado sólido que dependen menos de elementos químicos específicos, en particular metales críticos que son difíciles de obtener debido a problemas en la cadena de suministro.Su trabajo, informópublicado recientemente en la revista Science, podría avanzar en baterías de estado sólido que sean eficientes y asequibles.

Consideradas por su alta densidad de energía y seguridad superior, las baterías de estado sólido podrían cambiar las reglas del juego para la industria de los automóviles eléctricos. Pero desarrollar uno que sea asequible y lo suficientemente conductor como para impulsar un automóvil durante cientos de millas con una sola carga ha sido durante mucho tiempo un obstáculo difícil de superar.

“Con nuestro nuevo enfoque hacia las baterías de estado sólido, no es necesario renunciar a la asequibilidad por el rendimiento. Nuestro trabajo es el primero en resolver este problema mediante el diseño de un electrolito sólido no solo con un metal sino con un equipo de metales asequibles”, dijo el coautor Yan Zeng, científico de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley.

En una batería de iones de litio, el electrolito funciona como un centro de transferencia donde los iones de litio se mueven con carga eléctrica para alimentar un dispositivo o recargar la batería.

Al igual que otras baterías, las baterías de estado sólido almacenan energía y luego la liberan para alimentar dispositivos. Pero en lugar de los electrolitos líquidos o de gel polimérico que se encuentran en las baterías de iones de litio, utilizan un electrolito sólido.

El gobierno, la investigación y el mundo académico han invertido mucho en la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido porque los electrolitos líquidos diseñados para muchas baterías comerciales son más propensos a sobrecalentarse, incendiarse y perder carga.

Sin embargo, muchas de las baterías de estado sólido construidas hasta ahora se basan en tipos específicos de metales que son caros y no están disponibles en grandes cantidades. Algunos no se encuentran en absoluto en los Estados Unidos.

Para el estudio actual, Zeng, junto con Bin Ouyang, profesor asistente de química y bioquímica en la Universidad Estatal de Florida, y el autor principal Gerbrand Ceder, científico principal de la facultad del Laboratorio de Berkeley y profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley, demostraron un nuevo tipo. de electrolito sólido formado por una mezcla de diversos elementos metálicos. Zeng y Ouyang desarrollaron por primera vez la idea de este trabajo mientras terminaban su investigación postdoctoral en Berkeley Lab y UC Berkeley bajo la supervisión de Ceder.

Los nuevos materiales podrían dar como resultado un electrolito sólido más conductor y menos dependiente de una gran cantidad de un elemento individual.

En experimentos en Berkeley Lab y UC Berkeley, los investigadores demostraron el nuevo electrolito sólido sintetizando y probando varios materiales de iones de litio y de iones de sodio con múltiples metales mixtos.

Observaron que los nuevos materiales multimetálicos funcionaban mejor de lo esperado, mostrando una conductividad iónica varios órdenes de magnitud más rápida que los materiales monometálicos. La conductividad iónica es una medida de la rapidez con la que los iones de litio se mueven para conducir la carga eléctrica.

Los investigadores teorizan que mezclar muchos tipos diferentes de metales crea nuevas vías, muy parecidas a la adición de autopistas en una autopista congestionada, a través de las cuales los iones de litio pueden moverse rápidamente a través del electrolito. Sin estas vías, el movimiento de los iones de litio sería lento y limitado cuando viajan a través del electrolito de un extremo al otro de la batería, explicó Zeng.

Para validar los candidatos para el diseño multimetálico, los investigadores realizaron cálculos teóricos avanzados basados ​​en un método llamado teoría de densidad funcional en supercomputadoras del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC). Utilizando microscopios electrónicos de transmisión de barrido (STEM) en Molecular Foundry, los investigadores confirmaron que cada electrolito está hecho de un solo tipo de material, lo que los científicos llaman una “fase única”, con distorsiones inusuales que dan lugar a nuevas vías de transporte de iones en su estructura cristalina.

El descubrimiento abre nuevas oportunidades para diseñar conductores iónicos de próxima generación. El siguiente paso en esta investigación es aplicar el nuevo enfoque que Zeng ha desarrollado con Ceder en Berkeley Lab para explorar y descubrir nuevos materiales de electrolitos sólidos que puedan mejorar aún más el rendimiento de la batería.

Este trabajo representa una de las muchas formas en que los expertos del Berkeley Lab Energy Storage Center están trabajando para permitir la transición del país hacia un futuro energético limpio, asequible y resiliente.

El año pasado, Ouyang ganó el premio NERSC High Performance Computing Achievement Award por "avanzar en la comprensión del orden químico de corto alcance para diseñar una nueva generación de materiales catódicos comercializados". El premio reconoce a los científicos que inician su carrera y que han realizado contribuciones significativas a la computación científica utilizando recursos del NERSC.

Otros científicos que contribuyen a este trabajo son Young-Woon Byeon y Zijian Cai del Berkeley Lab, Jue Liu del Oak Ridge National Laboratory y Lincoln Miara y Yan Wang del Samsung Advanced Institute of Technology.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.