Los investigadores utilizaron técnicas de imagen avanzadas para comprender las causas de las fallas en las baterías de metal de litio de estado sólido (Li-SSB), según un estudio publicado en Nature. A diferencia de las baterías convencionales, las Li-SSB reemplazan el electrolito líquido inflamable por uno sólido y utilizan litio metálico como ánodo. Esto permite una mayor seguridad y más almacenamiento de energía, lo que podría revolucionar los sectores de los vehículos eléctricos (EV) y la aviación.
Investigadores de la Universidad de Oxford han descubierto cómo fallan las baterías de metal de litio de estado sólido (Li-SSB), lo que podría allanar el camino para mejorar las baterías de vehículos eléctricos. El equipo identificó que la formación y el crecimiento de ‘dendritas’ provocan cortocircuitos en las baterías, información que podría ayudar a superar los obstáculos tecnológicos en el desarrollo de baterías de estado sólido.
- Un nuevo estudio ha revelado los mecanismos que hacen que las baterías de metal de litio de estado sólido fallen.
- Los investigadores utilizaron un método de imágenes de alta resolución para visualizar las baterías con un detalle sin precedentes mientras se cargaban.
- Los nuevos conocimientos podrían ayudar a superar los problemas técnicos con las baterías de estado sólido, desbloqueando tecnología revolucionaria para vehículos eléctricos y aviación.
Las baterías de vehículos eléctricos (EV) significativamente mejoradas podrían estar un paso más cerca, gracias a un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford, publicado el 7 de junio en Nature. El uso de técnicas de imagen avanzadas ha revelado mecanismos que hacen que las baterías de metal de litio de estado sólido (Li-SSB) fallen. Si esto se puede superar, las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de metal de litio podrían ofrecer una mejora radical en el alcance, la seguridad y el rendimiento de la batería EV, y ayudar al avance de la aviación eléctrica.
Uno de los coautores principales del estudio, Dominic Melvin, estudiante de doctorado en el Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford, dijo: «El avance de las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio es uno de los desafíos más importantes que enfrentan las tecnologías de baterías avanzadas. . . Si bien las baterías de iones de litio actuales continúan mejorando, la investigación sobre baterías de estado sólido tiene el potencial de ser una tecnología muy gratificante y revolucionaria».
Las Li-SSB se diferencian de otras baterías en que reemplazan el electrolito líquido inflamable de las baterías convencionales con un electrolito sólido y usan metal de litio como ánodo (electrodo negativo). El uso de electrolito sólido mejora la seguridad, y el uso de metal de litio significa que se puede almacenar más energía. Sin embargo, un desafío crítico con los Li-SSB es que son propensos a sufrir cortocircuitos durante la carga debido al crecimiento de «dendritas»: filamentos de metal de litio que descomponen el electrolito cerámico. Como parte del proyecto SOLBAT de la Institución Faraday, investigadores de los Departamentos de Materiales, Química e Ingeniería de la Universidad de Oxford realizaron una serie de investigaciones en profundidad para comprender más acerca de cómo ocurre este cortocircuito.
Imágenes de tomografía computarizada de rayos X que muestran el crecimiento progresivo de una grieta de dendrita de litio dentro de una batería de estado sólido durante el proceso de carga. Crédito: Dominic Melvin, Naturaleza, 2023.
En este último estudio, el grupo utilizó una técnica de imagen avanzada llamada tomografía computarizada de rayos X en Diamond Light Source para visualizar la falla de las dendritas con un detalle sin precedentes durante el proceso de carga. El nuevo estudio de imágenes reveló que el inicio y la propagación de las grietas dendríticas son procesos separados impulsados por distintos mecanismos subyacentes. Las grietas dendríticas comienzan cuando el litio se acumula en los poros del subsuelo. Cuando los poros se llenan, la carga adicional de la batería aumenta la presión y provoca grietas. Por el contrario, la propagación ocurre cuando el litio solo llena parcialmente la grieta, a través de un mecanismo de apertura de cuña que abre la grieta desde atrás.
Esta nueva comprensión señala el camino a seguir para superar los desafíos tecnológicos de los Li-SSB. Dominic Melvin dijo: “Por ejemplo, aunque la presión sobre el ánodo de litio puede ser buena para prevenir el desarrollo de brechas en la interfaz con el electrolito sólido en la descarga, nuestros resultados demuestran que demasiada presión puede ser dañina, causando que las dendritas se propaguen y lo más probable es que no se esté cargando en cortocircuito.
Sir Peter Bruce, presidente de Wolfson, profesor de materiales en la Universidad de Oxford, científico jefe de la Institución Faraday y autor correspondiente del estudio, dijo: «El proceso por el cual un metal blando como el litio puede penetrar un electrolito cerámico duro altamente denso tiene ha demostrado ser difícil de entender con muchas contribuciones importantes de excelentes científicos de todo el mundo. Esperamos que los conocimientos adicionales que obtengamos ayuden a la investigación de baterías de estado sólido a avanzar hacia un dispositivo práctico”.
Según un informe reciente de la Institución Faraday, las SSB podrían satisfacer el 50 % de la demanda mundial de baterías en productos electrónicos de consumo, el 30 % en transporte y más del 10 % en aviones para 2040.
La profesora Pam Thomas, directora ejecutiva de la Institución Faraday, dijo: “Los investigadores de SOLBAT continúan desarrollando una comprensión mecánica de la falla de la batería de estado sólido, un obstáculo que debe superarse antes de que se puedan realizar baterías de alta potencia con un rendimiento comercialmente relevante. aplicaciones El proyecto está informando estrategias que los fabricantes de células pueden usar para evitar fallas en las células de esta tecnología. Esta investigación inspirada en la aplicación es un excelente ejemplo del tipo de avance científico para impulsar la Institución Faraday”.
Referencia: «Iniciación y propagación de dendritas en baterías de estado sólido de metal de litio» por Ziyang Ning, Guanchen Li, Dominic LR Melvin, Yang Chen, Junfu Bu, Dominic Spencer-Jolly, Junliang Liu, Bingkun Hu, Xiangwen Gao, Johann Perera, Chen Gong, Shengda D. Pu, Shengming Zhang, Boyang Liu, Gareth O. Hartley, Andrew J. Bodey, Richard I. Todd, Patrick S. Grant, David EJ Armstrong, T. James Marrow, Charles W. Monroe y Peter G. Bruce, 7 de junio de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05970-4
