Publicado originalmente por Centro de noticias de UC San Diego.
Por Ioana Patringenaru
Los ingenieros crearon un nuevo tipo de batería que entrelaza dos subcampos de batería prometedores en 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 muestran que la nueva batería es segura, duradera y densa en energía. Es prometedor para una amplia gama de aplicaciones, desde almacenamiento en red hasta vehículos eléctricos.
Desde la izquierda:
1) La batería totalmente de estado sólido consta de una capa compuesta de cátodo, una capa de electrolito sólido de sulfuro y un ánodo de micro-silicio libre de carbono.
2) Antes de la carga, las partículas de silicio discretas a microescala forman el ánodo denso en energía. Durante la carga de la batería, los iones de litio positivos se mueven desde el cátodo al ánodo y se forma una interfaz 2D estable.
3) A medida que más iones de litio se mueven hacia el ánodo, este reacciona con el micro-silicio para formar partículas de aleación de litio-silicio (Li-Si) interconectadas. La reacción continúa propagándose por todo el electrodo.
4) La reacción provoca la expansión y densificación de las micropartículas de silicio, formando un electrodo denso de aleación de Li-Si. Las propiedades mecánicas de la aleación de Li-Si y el electrolito sólido tienen un papel crucial en el mantenimiento de la integridad y el contacto a lo largo del plano interfacial 2D.
La tecnología de la batería se describe en la edición del 24 de septiembre de 2021 de la revista. Ciencias. 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 mayor que los ánodos de grafito que se utilizan con mayor frecuencia en las baterías comerciales de iones de litio de la actualidad. Por otro lado, 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 desafíos han mantenido a los ánodos totalmente de silicio fuera de las baterías comerciales de iones de litio a pesar de la tentadora densidad de energía. El nuevo trabajo publicado en Ciencias proporciona un camino prometedor para los ánodos totalmente de silicio, gracias al electrolito adecuado.
“Con esta configuración de batería, estamos abriendo un nuevo territorio para las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de aleación como el silicio”, dijo Darren HS Tan, autor principal del artículo. Recientemente completó su doctorado en ingeniería química en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y cofundó una startup UNIGRID Battery que ha obtenido la licencia de esta tecnología.
Las baterías de estado sólido de próxima generación con altas 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 temperatura elevada (generalmente 60 grados Celsius o más) durante la carga. El ánodo de silicio supera estas limitaciones, lo que permite velocidades de carga mucho más rápidas en la habitación a temperaturas bajas, al tiempo que mantiene altas densidades de energía.
El equipo demostró 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 para las comunidades de baterías de estado sólido y ánodo de silicio.
Silicio como ánodo para reemplazar el grafito
Los ánodos de silicio, por supuesto, 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 10 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 a lo largo del tiempo.
“Como investigadores de baterías, es vital abordar los 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 ”, dijo Shirley Meng, profesora de nanoingeniería de UC San Diego, autora correspondiente en el Ciencias paper, y director del Institute for Materials Discovery and Design en UC San Diego. “Necesitábamos un enfoque totalmente diferente”, dijo Meng.
De hecho, el equipo dirigido por UC San Diego adoptó un enfoque diferente: eliminaron el carbono y los aglutinantes que iban con los ánodos totalmente de silicio. Además, los investigadores utilizaron micro-silicio, que es menos procesado y menos costoso que el nano-silicio que se usa con más frecuencia.
Una solución totalmente de estado sólido
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 es extremadamente estable 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”, dijo el profesor 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 la creatividad y el pensamiento innovador. También sabemos cómo interactuar con socios de la industria mientras perseguimos desafíos fundamentales difíciles “.
Los esfuerzos anteriores para comercializar ánodos de aleación de silicio se centran principalmente en compuestos de silicio-grafito o en la combinación de partículas nanoestructuradas con aglutinantes poliméricos. Pero todavía luchan con la mala estabilidad.
Al cambiar el 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.
Al mismo tiempo, 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 en dos partes permitió a los investigadores aprovechar completamente los beneficios de las propiedades del silicio de bajo costo, alta energía y ambientalmente benignas.
Comercialización de impacto y spin-off
“El enfoque del 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, costos reducidos y baterías más seguras, especialmente para el almacenamiento de energía en la red ”, dijo Darren HS Tan, el primer autor de la Ciencias papel.
A menudo se creía 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 para crear un ánodo altamente estable.
Tan es el CEO y cofundador de una startup, UNIGRID Battery, que ha licenciado la tecnología para estas baterías de estado sólido de silicio.
Paralelamente, 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 de Ciencias, un reconocimiento significativo ”, dijo 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, lo que diversificaría 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”, agregó 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 trabajo: “Ánodos de silicio de alta carga libres de carbono habilitados por electrolitos sólidos de sulfuro”, en la edición del 24 de septiembre de 2021 de Ciencias.
Autores: Darren HS 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 Departamento de Nanoingeniería, Programa de Ingeniería Química y Centro de Energía y Energía Sostenible (SPEC) de la Escuela de Ingeniería Jacobs de San Diego de la Universidad de California; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, de LG Energy Solution, Ltd.
Fondos: Este estudio fue financiado por la empresa LG Energy Solution a través del programa Battery Innovation Contest (BIC). ZC 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. YSM reconoce el apoyo financiero de Zable Endowed Chair Fund.
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Es el momento, volverás a saber de mi una próxima vez. ¡Un saludo!