Se espera que el caucho reemplace los materiales tradicionales para convertirse en el material clave para la próxima generación de baterías de estado sólido.

Para que los vehículos eléctricos (EV) se generalicen, necesitan baterías rentables, más seguras y duraderas que no exploten ni dañen el medio ambiente durante su uso. Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia pueden haber encontrado una alternativa prometedora a las baterías de iones de litio convencionales:goma.

Los elastómeros, o caucho sintético, se utilizan ampliamente en productos de consumo y tecnologías avanzadas, como dispositivos electrónicos portátiles y robots flexibles, debido a sus propiedades mecánicas superiores. Los investigadores descubrieron que cuando el material se formula en una estructura 3D, actúa como una autopista para el transporte rápido de iones de litio, con una dureza mecánica superior que permite que las baterías se carguen durante más tiempo y lleguen más lejos. La investigación se llevó a cabo en colaboración con el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea y se publica en la revista Nature.

En una batería de iones de litio convencional, los iones son movidos por un electrolito líquido. Sin embargo, tales baterías son intrínsecamente inestables: incluso el más mínimo daño puede filtrarse en los electrolitos y provocar una explosión o un incendio. Los problemas de seguridad han obligado a la industria a centrarse en las baterías de estado sólido, que pueden fabricarse con materiales cerámicos inorgánicos o polímeros orgánicos.
“La mayoría de las industrias se centran en la construcción de electrolitos sólidos inorgánicos. Pero son difíciles de fabricar, caros y no respetuosos con el medio ambiente”, dice Seung Woo Lee, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff que formó parte de un equipo de investigación. que encontró un polímero orgánico a base de caucho superior a otros materiales. Los electrolitos de polímeros sólidos continúan atrayendo un gran interés debido a su bajo costo de fabricación, propiedades blandas y no tóxicas. Sin embargo, los electrolitos poliméricos convencionales no tienen suficiente conductividad iónica ni estabilidad mecánica para garantizar un funcionamiento fiable de las baterías de estado sólido.
El novedoso diseño 3D trae un salto en la densidad de energía y el rendimiento.
Los ingenieros de Georgia Tech utilizarongomaelectrolitos para resolver problemas comunes (transporte lento de iones de litio y malas propiedades mecánicas). El avance clave fue permitir que los materiales formaran fases cristalinas plásticas tridimensionales (3D) interconectadas en una matriz de goma resistente. Esta estructura única aporta una alta conductividad iónica, excelentes propiedades mecánicas y estabilidad electroquímica.
El electrolito de caucho se puede fabricar a bajas temperaturas mediante un proceso de polimerización simple que produce una interfaz firme y suave en la superficie del electrodo. Estas propiedades únicas del electrolito de caucho evitan el crecimiento de dendritas de litio y permiten un movimiento más rápido de iones, lo que permite que las baterías de estado sólido funcionen de manera confiable incluso a temperatura ambiente.
Goma, utilizado en todas partes por sus altas propiedades mecánicas, nos permitirá fabricar baterías más baratas, fiables y seguras. Una mayor conductividad de iones significa que puede mover más iones al mismo tiempo y, al aumentar la energía específica y la densidad de energía de estas baterías, puede aumentar la autonomía del vehículo eléctrico.

Los investigadores ahora están trabajando en formas de mejorar el rendimiento de la batería, aumentando su tiempo de ciclo y reduciendo el tiempo de carga a través de una mejor conductividad iónica. Hasta ahora, sus esfuerzos han dado como resultado dos mejoras en el rendimiento/tiempo de ciclo de la batería.

Este trabajo podría mejorar la reputación de Georgia como centro de innovación para vehículos eléctricos. SK Innovation, una empresa global de energía y petroquímica, está financiando investigaciones adicionales sobre materiales electrolíticos como parte de su colaboración continua con el Instituto para construir baterías de estado sólido de última generación que sean más seguras y consuman más energía que las baterías de iones de litio tradicionales. SK Innovation anunció recientemente la construcción de una nueva planta de baterías para vehículos eléctricos en Commerce, Georgia, que se espera que produzca 21,5 gigavatios hora de baterías de iones de litio al año para 2023.
Las baterías de estado sólido podrían mejorar en gran medida el kilometraje y la seguridad de los vehículos eléctricos. Las empresas de baterías de rápido crecimiento, incluida SK Innovation, ven la comercialización de baterías de estado sólido como un cambio de juego para el mercado de vehículos eléctricos. Kyounghwan Choi, director del Centro de Investigación de Baterías de Próxima Generación de SK Innovation, dijo: "Hay grandes esperanzas para la rápida aplicación y comercialización de baterías de estado sólido a través del proyecto en curso en colaboración con SK Innovation y el profesor Seung Woo Lee del Instituto de Georgia. de tecnología."