La sinterización en frío puede abrir la puerta a una mejor producción de baterías de estado sólido

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“Hay muchas personas y empresas en este momento que están investigando diferentes formas de producir baterías de estado sólido a escala. No es una exageración decir que es uno de los temas más candentes en la ciencia en este momento, resolver este problema”. —Zane Grady, estudiante de doctorado en ciencia de los materiales, Penn State

Por Jamie Oberdick
Cortesía de Estado de Pensilvania, Instituto de Investigación de Materiales

PARQUE UNIVERSITARIO, PENNSYLVANIA: en comparación con sus contrapartes de baterías tradicionales, las baterías de estado sólido tienen un mayor potencial energético y son más seguras, lo que las convierte en clave para avanzar en el desarrollo y uso de vehículos eléctricos. Los investigadores de Penn State han propuesto un método mejorado de producción de baterías de estado sólido que permite la integración de múltiples materiales para obtener mejores baterías: la sinterización en frío.

Las baterías tradicionales tienen un electrolito líquido que permite que los iones se muevan entre el cátodo y el ánodo, los dos electrodos de la batería. Las baterías de estado sólido tienen un electrolito delgado hecho de un material sólido.

“Las baterías de estado sólido tienen muchas ventajas desde el punto de vista de la seguridad, ya que no se incendian, porque son mucho más estables debido a su unión más fuerte”, dijo Zane Grady, estudiante de doctorado en ciencia de materiales y plomo. autor del estudio que se publicó en Interfaces y materiales aplicados de ACS. “Debido a esa unión más fuerte, también son más robustos mecánicamente. Esto evita los cortocircuitos que provocan incendios, pero también, en teoría, permite que las baterías de estado sólido tengan una mayor densidad de energía. Tienen un aumento de orden de magnitud en el rendimiento con respecto a las baterías que tenemos ahora, que están llegando a su límite. Pero también hay muchos problemas en la fabricación de baterías de estado sólido”.

Uno de los mayores problemas para las baterías de estado sólido que dan el salto del laboratorio al mercado son los grandes desafíos inherentes a su producción. Los electrodos de batería actuales son una mezcla de material activo, carbón y electrolito líquido. Sin un electrolito líquido, ya no hay un camino directo para que los iones se muevan en el electrodo. La mejor manera de dar un camino a los iones es introduciendo un electrolito sólido, que requiere sinterización, y la sinterización convencional es demasiado caliente para el carbono y el material activo, lo que hace que se degraden. La sinterización en frío permite introducir el electrolito sólido sinterizado a muy bajas temperaturas.

“En las baterías líquidas, puede tomar sus dos electrodos y luego agregar el electrolito y siempre que haya algo que los separe, generalmente un polímero, tiene una batería”, dijo Grady. “Pero hacer una batería de estado sólido implica producir un material como una capa muy delgada de vidrio cerámico conductor denso para un electrolito sólido, lo cual es muy difícil de hacer a escala”.

Resolver este problema es un tema actual de profundo interés para la ciencia y la industria. Esto se debe al potencial futuro de los automóviles eléctricos y su capacidad para reducir las emisiones y combatir el cambio climático. Las baterías de estado sólido tienen otros beneficios potenciales, como baterías para portátiles de mayor duración.

“Hay muchas personas y empresas en este momento que están investigando diferentes formas de producir baterías de estado sólido a escala”, dijo Grady. “No es una exageración decir que es uno de los temas más candentes en la ciencia en este momento, resolver este problema”.

Según los investigadores, la sinterización en frío puede ofrecer una solución. La sinterización en frío es un proceso revolucionario que permite la sinterización de cerámica a una temperatura mucho más baja que los métodos tradicionales, por lo que utiliza mucha menos energía y permite posibles combinaciones de nuevos materiales. Fue desarrollado en Penn State por el equipo de investigación dirigido por Clive Randall, director de la Instituto de Investigación de Materiales, distinguido profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y coautor del estudio.

“Lo que hacemos en la sinterización en frío es que reducimos la temperatura de sinterización de los electrolitos sólidos cerámicos de los 1200 grados centígrados habituales a menos de 400 grados centígrados”, dijo Grady. “Cuando hace eso, ahora puede integrar sus electrolitos sólidos con todo lo demás en la batería, como su material activo y los electrodos, y sinterizar en frío las interfaces juntas. Aborda todos los diferentes desafíos de fabricación que están molestando a todos los demás que quieren fabricar baterías de estado sólido mediante la reducción de la temperatura. Abre toda una ventana de coprocesamiento entre los materiales de la batería de estado sólido que no se puede obtener con ningún otro método de procesamiento cerámico”.

“Entonces, lo que hace la sinterización en frío es realmente servir como una indicación de que es posible hacer baterías de estado sólido con cerámica”. —Zane Grady

Según Grady, los electrolitos de las baterías de estado sólido están hechos de cerámica, polímeros, compuestos poliméricos o materiales blandos no cristalinos. La cerámica se considera uno de los mejores tipos de materiales en cuanto a conductores iónicos y electrolitos de estado sólido.

“Entonces, existe esta desconexión en el mundo de la investigación entre saber qué material sería perfecto para los electrolitos sólidos y con qué materiales se puede trabajar, y debido a las limitaciones del proceso de sinterización de la cerámica, nadie ha podido resolver realmente eso. dijo Grady. “Entonces, lo que hace la sinterización en frío es realmente servir como una indicación de que es posible fabricar baterías de estado sólido a partir de cerámica. A bajas temperaturas, no es necesario comprometer la densidad o la conductividad de una manera que creo que la gente asumió que tenía que hacer con la cerámica antes de la sinterización a baja temperatura”.

En un estudio anterior, el equipo de investigación demostró cómo se puede emplear la sinterización en frío a temperaturas inferiores a 300 grados Fahrenheit (150 grados Celsius) para fabricar baterías de iones de litio de estado sólido de varias capas. Se basaron en sales conductoras para obtener propiedades electroquímicas adecuadas, que socavaron algunas de las ventajas conductoras y de seguridad de las baterías de estado sólido. Luego, el equipo demostró que un electrolito sólido compuesto por fosfato de silicato de circonio y sodio, a menudo conocido coloquialmente como el electrolito sólido NASICON, podría sinterizarse en frío a una temperatura ligeramente más alta, 707 grados Fahrenheit (375 grados Celsius), reemplazando el líquido solvente transitorio con un solvente transitorio de hidróxido de sodio sólido más reactivo. Esto dio como resultado un electrolito sólido cerámico altamente conductor sin el uso de sales conductoras adicionales.

Para este estudio actual, el equipo demostró una ruta novedosa hacia la fabricación de electrodos conductores mixtos para baterías de estado sólido. El equipo tomó un polvo de cerámica de cátodo NASICON que se densifica en un gránulo compuesto de cerámica con un solvente transitorio para ayudarlo a densificarse, y usó una prensa talladora para aplicar la presión necesaria al polvo. La presión se aplica y se calienta durante tres horas a 707 grados Fahrenheit (375 grados Celsius).

Los próximos pasos para el equipo de investigación incluyen el ajuste fino del proceso de sinterización en frío de las baterías de estado sólido.

“Creemos que es posible explorar realmente la composición de los electrolitos sinterizados en frío e investigar esta relación entre la conducción mixta cerámica y la composición de una manera que se pueda optimizar para obtener la mayor cantidad de material activo, al mismo tiempo que se tiene la conductividad que se desea. necesita hacer funcionar la batería a una temperatura decente”, dijo Grady. “Y luego, en el otro lado de las cosas, también estamos explorando estructuras en capas, para que podamos mezclar todo, incluido el electrolito sólido en el cátodo”.

Luego, los investigadores explorarán algunos problemas adicionales y trabajarán para resolverlos.

“Luego, haremos preguntas como ¿cómo colocas el cátodo y el electrolito uno encima del otro de manera que no tengas un cuello de botella de iones en esa interfaz?” dijo Grady. “¿Qué tan delgado puedes hacer el electrolito? Estos son pasos importantes para avanzar hacia una batería de estado sólido real y práctica”.

Junto con Grady y Randall, otros autores del estudio incluyen a Zhongming Fan, investigador postdoctoral en ciencia de materiales, y Arnaud Ndayishimiye, investigador postdoctoral en ciencia de materiales.

El Departamento de Energía de EE. UU. y el Departamento de Defensa de EE. UU. apoyaron esta investigación.

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Y ahora, te dejo hasta una próxima vez. ¡Un saludo!

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