Para que los vehículos eléctricos tengan una mejor aceptación, es necesario que las baterías sean más rentables, más seguras, más duraderas y que su ciclo de vida sea más sostenible. Los investigadores de Georgia Tech, en colaboración con el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, pueden haber encontrado una alternativa prometedora a las baterías de iones de litio convencionales fabricadas con «CAUCHO».
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Para que los vehículos eléctricos (VE) se conviertan en el principal modelo de movilidad, se necesitan baterías rentables, más seguras y más duraderas. Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia pueden haber encontrado una alternativa prometedora a las baterías de iones de litio convencionales hechas de un material común: el caucho.
Los elastómeros, o cauchos sintéticos, se utilizan ampliamente en productos de consumo y tecnologías avanzadas, debido a sus propiedades mecánicas superiores. Los investigadores han descubierto que el material, cuando se formuló en una estructura 3D, actúa como una autopista para el transporte rápido de iones de litio y con una resistencia mecánica superior, permitiendo obtener unas baterías de carga más prolongadas que pueden llegar más lejos. La investigación, realizada en colaboración con el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, se publicó el miércoles en la revista Nature.
En las baterías de iones de litio convencionales, los iones se mueven mediante un electrolito líquido. Sin embargo, la batería es intrínsecamente inestable: incluso el más mínimo daño puede filtrarse en el electrolito y provocar una explosión o un incendio. Para evitar estos problemas de seguridad han obligado a la industria a buscar baterías de estado sólido, que pueden fabricarse con material cerámico inorgánico o polímeros orgánicos.
“La mayor parte de la industria se está enfocando en construir electrolitos inorgánicos en estado sólido.
Pero son difíciles de fabricar, caros y no son respetuosos con el medio ambiente”, dijo Seung Woo Lee, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff , que forma parte de un equipo de investigadores que ha descubierto un polímero orgánico a base de caucho. superior a otros materiales.
Los electrolitos de polímeros sólidos continúan atrayendo un gran interés debido a su bajo costo de fabricación, no toxicidad y naturaleza blanda. Sin embargo, los electrolitos poliméricos convencionales no tienen suficiente conductividad iónica ni estabilidad mecánica para un funcionamiento fiable de las baterías de estado sólido.
El novedoso diseño 3D conduce a un aumento en la densidad de energía y el rendimiento.
Los ingenieros de Georgia Tech han resuelto problemas comunes (transporte lento de iones de litio y malas propiedades mecánicas) utilizando electrolitos de caucho.
El avance clave fue permitir que el material formara una fase de cristal plástico interconectado tridimensional (3D) dentro de la sólida matriz de goma. Esta estructura única ha dado como resultado una alta conductividad iónica, propiedades mecánicas superiores y estabilidad electroquímica.
Este electrolito de caucho se puede fabricar mediante un proceso de polimerización simple en condiciones de baja temperatura, generando interfaces sólidas y suaves en la superficie de los electrodos.
Estas características únicas de los electrolitos de caucho evitan el crecimiento de dendritas de litio y permiten que los iones se muevan más rápido, lo que permite un funcionamiento fiable de las baterías de estado sólido incluso a temperatura ambiente.
“El caucho se ha utilizado en todas partes debido a sus altas propiedades mecánicas y nos permitirá fabricar baterías baratas, más confiables y más seguras”, dijo Lee.
“Una mayor conductividad iónica significa que puedes mover más iones al mismo tiempo”, dijo Michael Lee, investigador graduado en ingeniería mecánica.
“Al aumentar la energía específica y la densidad de energía de estas baterías, puede aumentar el kilometraje del vehículo eléctrico”.
Los investigadores ahora están buscando formas de mejorar el rendimiento de la batería aumentando su tiempo de ciclo y disminuyendo el tiempo de carga a través de una conductividad iónica aún mejor.
Hasta ahora, sus esfuerzos han visto una mejora del doble en el rendimiento/tiempo de ciclo de la batería.
El trabajo podría mejorar la reputación de Georgia como centro de innovación de vehículos eléctricos.
SK Innovation, una compañía global de energía y petroquímica, está financiando investigaciones adicionales del material electrolítico como parte de su colaboración continua con el Instituto para construir baterías de estado sólido de próxima generación que sean más seguras y con mayor densidad energética que las baterías de iones de litio convencionales. SK Innovation anunció recientemente la construcción de una nueva planta de baterías EV en Commerce, Georgia, que se espera que produzca un volumen anual de baterías de iones de litio igual a 21,5 gigavatios-hora para 2023.
“Todas las baterías de estado sólido pueden aumentar drásticamente el kilometraje y la seguridad de los vehículos eléctricos.
Las compañías de baterías de rápido crecimiento, incluida SK Innovation, creen que la comercialización de baterías de estado sólido cambiará las reglas del juego en el mercado de vehículos eléctricos”, dijo Kyounghwan Choi, director del centro de investigación de baterías de próxima generación de SK Innovation.
«A través del proyecto en curso en colaboración con SK Innovation y el profesor Seung Woo Lee de Georgia Tech, existen grandes expectativas para la rápida aplicación y comercialización de baterías de estado sólido».
CITA: M. Lee, et. al, «Electrolitos elastoméricos para baterías de litio de estado sólido de alta energía» ( Nature , 2022) https://doi.org/10.1038/s41586-021-04209-4
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El Instituto de Tecnología de Georgia, o Georgia Tech, es una de las 10 principales universidades públicas de investigación que desarrolla líderes que hacen avanzar la tecnología y mejoran la condición humana.
El Instituto ofrece títulos en negocios, computación, diseño, ingeniería, artes liberales y ciencias. Sus casi 44.000 estudiantes que representan a 50 estados y 149 países estudian en el campus principal en Atlanta, en campus en Francia y China, ya través del aprendizaje a distancia y en línea. Como universidad tecnológica líder, Georgia Tech es un motor de desarrollo económico para Georgia, el sudeste y la nación, y realiza más de mil millones de dólares en investigación anualmente para el gobierno, la industria y la sociedad.
