Los materiales de electrolitos sólidos podrían mejorar la seguridad y el rendimiento de las baterías de iones de litio

Stanford University | Por Mark Shwartz

Los científicos de la Universidad de Stanford han identificado una nueva clase de materiales sólidos que podrían reemplazar los electrolitos líquidos inflamables en las baterías de iones de litio.

Los materiales de bajo costo, hechos de litio, boro y azufre, podrían mejorar la seguridad y el rendimiento de los autos eléctricos, computadoras portátiles y otros dispositivos que funcionan con baterías, según los científicos. Sus hallazgos se publican en un estudio en la revista ACS Applied Materials & Interfaces .

“Una batería de iones de litio típica tiene dos electrodos sólidos con un electrolito líquido altamente inflamable en el medio”, dijo el autor principal del estudio Austin Sendek , académico visitante en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Stanford. “Nuestro objetivo es diseñar electrolitos sólidos estables y de bajo costo que también aumenten la potencia y la producción de energía de la batería”.

Materiales prometedores

Los electrolitos de la batería transportan iones de litio entre el electrodo positivo y negativo durante la carga y descarga. La mayoría de las baterías de iones de litio utilizan un electrolito líquido que puede arder si la batería se perfora o se cortocircuita. Los electrolitos sólidos, por otro lado, rara vez se incendian y son potencialmente más eficientes.

“Los electrolitos sólidos son prometedores como alternativas más seguras, duraderas y con mayor densidad energética a los electrolitos líquidos”, dijo el autor principal Evan Reed , profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. «Sin embargo, el descubrimiento de materiales adecuados para su uso en electrolitos sólidos sigue siendo un importante desafío de ingeniería».

La mayoría de los electrolitos sólidos que se usan hoy en día son demasiado inestables, ineficientes y costosos para ser comercialmente viables, dijeron los autores.

“Los electrolitos sólidos convencionales no pueden conducir tanta corriente iónica como los electrolitos líquidos”, dijo Sendek. «Los pocos que suelen degradarse una vez que entran en contacto con los electrodos de la batería».

Aprendizaje automático

Para encontrar electrolitos sólidos fiables, Sendek y sus colegas en 2016 capacitó a un algoritmo de computadora a la pantalla más de 12.000 compuestos que contienen litio en una base de datos de materiales. En cuestión de minutos, el algoritmo identificó aproximadamente 20 materiales prometedores, incluidos cuatro compuestos poco conocidos hechos de litio, boro y azufre.

“Mientras observábamos a los candidatos, notamos que seguían apareciendo cuatro compuestos de litio, boro y azufre”, dijo Sendek. «Desafortunadamente, no había mucho sobre estos materiales en la literatura científica existente».

En el estudio actual, los investigadores observaron más de cerca los cuatro compuestos utilizando una técnica llamada teoría funcional de la densidad, que simula cómo se comportarían los materiales a nivel atómico.

Resultados muy prometedores

Los electrolitos de litio-boro-azufre podrían ser aproximadamente dos veces más estables que los principales electrolitos sólidos, muestra el estudio actual. La estabilidad puede afectar la cantidad de energía por unidad de peso que puede almacenar una batería. En vehículos eléctricos, eso puede significar un rango de conducción más largo.

«Los Teslas y otros coches eléctricos pueden recorrer entre 250 y 300 millas con una sola carga». Dijo Sendek. «Pero con un electrolito sólido, podría potencialmente duplicar la densidad de energía de las baterías de iones de litio y obtener ese rango por encima de las 500 millas, y tal vez incluso comenzar a pensar en un vuelo eléctrico».

Cuando un electrolito sólido típico se descompone, se transforma químicamente de un buen conductor en un mal conductor, lo que hace que la batería deje de funcionar. El estudio predijo que cuando se mezclaran, los cuatro compuestos de litio-boro-azufre continuarían funcionando incluso mientras se descomponen.

«Los cuatro compuestos son químicamente similares», dijo Sendek. “Entonces, cuando la mezcla se descompone, es probable que cada compuesto se transforme de un buen conductor a otro buen conductor a otro. Eso significa que los materiales pueden soportar varios ciclos de descomposición antes de que se descompongan en un conductor defectuoso que finalmente mata la batería «.

El estudio también predijo que ciertas fases de los materiales de litio-boro-azufre podrían ser tres veces mejores en la conducción de iones de litio que los electrolitos sólidos de última generación hechos con germanio costoso.

«Si obtiene una buena conductividad iónica, puede obtener más flujo de corriente de su batería», dijo Sendek. «Más corriente significa más potencia para acelerar su automóvil».

Algunos de los mejores electrolitos sólidos disponibles en la actualidad se fabrican con elementos raros como el germanio, cuyo kilogramo cuesta alrededor de $ 500. El litio, el boro y el azufre son sustancias químicas abundantes con un precio de 26 dólares el kilogramo.

“Nuestro algoritmo informático buscaba nuevos materiales basados ​​en sus propiedades físicas”, dijo Sendek. «Pero resultó que los cuatro compuestos también eran mucho más baratos que las alternativas».

Metal de litio

Encontrar un electrolito sólido viable también podría conducir al desarrollo de baterías de metal de litio , baterías livianas y densas en energía que son candidatas ideales para los autos eléctricos.

La mayoría de las baterías de iones de litio tienen un electrodo cargado negativamente hecho de grafito. En las baterías de metal de litio, el grafito se reemplaza con litio metálico, que puede almacenar una carga significativamente mayor por kilogramo.

“El metal de litio es realmente el santo grial de la investigación de baterías”, dijo Sendek. “Pero los electrodos de metal de litio tienden a acortarse internamente durante el funcionamiento, lo que los electrolitos líquidos no evitan. Los electrolitos sólidos parecen ser nuestra mejor oportunidad para superar ese problema, y ​​los electrolitos de litio, boro y azufre son candidatos prometedores «.

Hoja de ruta de investigación

El estudio de Stanford proporciona una hoja de ruta teórica para futuras investigaciones. El siguiente paso es sintetizar los cuatro materiales de litio-boro-azufre y probarlos en una batería.

«Por lo que me dicen mis amigos experimentadores, hacer estos materiales en el laboratorio puede ser bastante difícil», dijo Sendek. “Nuestro trabajo como teóricos es señalar a los experimentadores materiales prometedores y dejarles ver cómo funcionan los materiales en dispositivos reales”.

La capacidad de identificar estos materiales prometedores de miles de candidatos fue posible gracias a la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, agregó Reed.

“El descubrimiento de la mayoría de los materiales nuevos hasta la fecha se ha logrado mediante búsquedas ineficaces de prueba y error”, dijo. «Nuestros resultados representan un éxito inspirador para el enfoque de aprendizaje automático de la química de materiales».

Otros coautores del estudio de Stanford son Yi Cui , profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y de ciencia de fotones en SLAC National Accelerator Laboratory; y los estudiantes de doctorado Evan Antoniuk en la Facultad de Humanidades y Ciencias y Brandi Ransom en la Facultad de Ingeniería. Otros coautores son Ekin Cubuk de Google Brain y Brian Francisco y Josh Buettner-Garret de Solid Power, Inc.

Los fondos para el estudio fueron proporcionados por el Stanford TomKat Center for Sustainable Energy y el programa Accelerated Materials Design & Discovery del Toyota Research Institute .

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