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Un defecto oculto: desbloquear mejores baterías para vehículos eléctricos


Los investigadores han descubierto una razón crucial por la cual las baterías de estado sólido son propensas a fallar

Arreglar un defecto oculto podría conducir a mejores baterías para autos eléctricos.

En comparación con las baterías de iones de litio tradicionales, las baterías de estado sólido brindan una carga más rápida, un mayor alcance y una vida útil más larga, y podrían desempeñar un papel clave en los vehículos eléctricos. Sin embargo, las baterías de estado sólido son propensas a fallar debido a los métodos de procesamiento de materiales y fabricación existentes. Los investigadores ahora han descubierto una falla oculta que estaba causando las fallas. La siguiente etapa es desarrollar materiales y procesos de fabricación que tengan en cuenta estos defectos y crear baterías de próxima generación.

A diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, que tienen partículas cargadas llamadas iones que se mueven en un líquido, las baterías de estado sólido tienen iones que viajan a través de la batería dentro de un material sólido. La nueva investigación muestra que, si bien las celdas de estado sólido tienen beneficios, las variaciones locales o los pequeños defectos en el material sólido pueden acortar o desgastar la batería.

“Un material uniforme es importante”, dijo la investigadora principal Kelsey Hatzell, profesora asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial y el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente. “Quieres que los iones se muevan a la misma velocidad en todos los puntos del espacio”.

Hatzell y sus coautores describieron cómo emplearon herramientas de alta tecnología en el Laboratorio Nacional de Argonne para inspeccionar y rastrear cambios de materiales a escala nanométrica dentro de una batería mientras la cargaban y descargaban en un artículo publicado recientemente en Materiales de la naturaleza. El equipo de investigadores de la Universidad de Princeton, la Universidad de Vanderbilt, el Laboratorio Nacional de Argonne y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge analizó los granos de cristal en el electrolito sólido de la batería, la parte central de la batería a través de la cual fluye la carga eléctrica. Al mover los iones más rápidamente a un área de la batería que a otra, los investigadores llegaron a la conclusión de que las irregularidades entre los granos podrían acelerar la falla de la batería. Cambiar el procesamiento de materiales y los métodos de fabricación podría ayudar a resolver los problemas de confiabilidad de la batería.

Las baterías almacenan energía eléctrica en los materiales que componen sus electrodos: el ánodo (el extremo de la batería marcado con el signo menos) y el cátodo (el extremo de la batería marcado con el signo más). Cuando la batería descarga energía para alimentar un automóvil o un teléfono inteligente, las partículas cargadas (llamadas iones) se mueven a través de la batería hacia el cátodo (el extremo +). El electrolito, sólido o líquido, es el camino que toman los iones entre el ánodo y el cátodo. Sin un electrolito, los iones no pueden moverse y almacenar energía en el ánodo y el cátodo.

En una batería de estado sólido, el electrolito suele ser una cerámica o un vidrio denso. Las baterías de estado sólido con electrolitos sólidos pueden permitir materiales más densos en energía (por ejemplo, metal de litio) y hacer que las baterías sean más livianas y pequeñas. El peso, el volumen y la capacidad de carga son factores clave para las aplicaciones de transporte, como los vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido también deberían ser más seguras y menos susceptibles a los incendios que otras formas.

Los ingenieros sabían que las baterías de estado sólido tienden a fallar en el electrolito, pero las fallas parecían ocurrir al azar. Hatzell y los co-investigadores sospecharon que las fallas podrían no ser aleatorias sino causadas por cambios en la estructura cristalina del electrolito. Para explorar esta hipótesis, los investigadores utilizaron el sincrotrón del Laboratorio Nacional de Argonne para producir potentes rayos X que les permitieron observar la batería durante el funcionamiento. Combinaron imágenes de rayos X y técnicas de difracción de alta energía para estudiar la estructura cristalina de un electrolito granate en la escala de angstrom, aproximadamente del tamaño de un solo[{” attribute=””>atom. This allowed the researchers to study changes in the garnet at the crystal level.

A garnet electrolyte is comprised of an ensemble of building blocks known as grains. In a single electrolyte (1mm diameter) there are almost 30,000 different grains. The researchers found that across the 30,000 grains, there were two predominant structural arrangements. These two structures move ions at varying speeds. In addition, these different forms or structures “can lead to stress gradients that lead to ions moving in different directions and ions avoiding parts of the cell,” Hatzell said.

She likened the movement of charged ions through the battery to water moving down a river and encountering a rock that redirects the water. Areas that have high amounts of ions moving through tend to have higher stress levels.

“If you have all the ions going to one location, it is going to cause rapid failure,” Hatzell said. “We need to have control over where and how ions move in electrolytes in order to build batteries that will last for thousands of charging cycles.”

Hatzell said it should be possible to control the uniformity of grains through manufacturing techniques and by adding small amounts of different chemicals called dopants to stabilize the crystal forms in the electrolytes.

“We have a lot of hypotheses that are untested of how you would avoid these heterogeneities,” she said. “It is certainly going to be challenging, but not impossible.”

Reference: “Polymorphism of garnet solid electrolytes and its implications for grain-level chemo-mechanics” by Marm B. Dixit, Bairav S. Vishugopi, Wahid Zaman, Peter Kenesei, Jun-Sang Park, Jonathan Almer, Partha P. Mukherjee, and Kelsey B. Hatzell, 1 September 2022, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-022-01333-y

The study was funded by the National Science Foundation and the US Department of Energy. 

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