Yuan Yang, profesor asistente de ciencia de los materiales e ingeniería de Columbia Engineering, ha desarrollado un nuevo método que podría dar lugar a baterías de litio que son más seguras, tienen mayor duración, y son flexibles, proporcionando nuevas posibilidades como los smartphones flexibles.
Esquema de canales cerámicos alineados verticalmente y conectados para mejorar la conducción iónica. En la figura izquierda, las partículas cerámicas se dispersan aleatoriamente en la matriz polimérica, donde el transporte de iones es bloqueado por la matriz polimérica con una baja conductividad. En la derecha, la estructura verticalmente alineada y conectada facilita el transporte de iones, que puede realizarse mediante el método de plantilla de hielo. Crédito: Yuan Yang / Columbia Engineering
Su nueva técnica utiliza plantillas de hielo para controlar la estructura del electrolito sólido para baterías de litio que se usan en almacenamiento de energía a nivel de red, vehículos eléctricos y electrónica portátil. El estudio es publicado en línea el 24 de abril en Nano Letters.
El electrolito líquido se emplea en las baterías de litio comerciales, y como ahora todo el mundo sabe, es altamente inflamable, provocando problemas de seguridad con algunos portátiles y otros dispositivos electrónicos. El equipo de Yang exploró la idea de utilizar electrolito sólido como un substituto para el electrolito líquido fabricar baterías de litio de estado sólido.
Ellos estaban interesados en el uso de plantillas de hielo para fabricar estructuras alineadas verticalmente de electrólitos sólidos cerámicos, que proporcionan vías rápidas litio de iones y son altamente conductores. Enfríaron la solución acuosa con las partículas de cerámica en la parte inferior y después dejaron crecer el hielo y empujaron y concentraron las partículas de cerámica. A continuación, aplicaron un vacío para la transición de hielo sólido a un gas, dejando una estructura verticalmente alineada. Finalmente, combinaron esta estructura cerámica con polímero para proporcionar soporte mecánico y flexibilidad para el electrolito.
"En los dispositivos electrónicos portátiles, así como en los vehículos eléctricos, las baterías de litio flexibles de estado sólido no sólo resuelven los problemas de seguridad, sinó que también pueden aumentar la densidad de energía de la batería para el transporte y almacenamiento. Y muestran una gran promesa en la creación de dispositivos flexibles,", dice Yang, cuyo grupo de investigación se centra en el almacenamiento de energía electroquímica y la conversión y la gestión de la energía térmica.
Los investigadores en estudios anteriores usaron partículas de cerámica dispersadas aleatoriamente en electrolitos poliméricos o electrolitos de cerámica semejantes a fibras que no están alineados verticalmente. "Pensamos que si combinábamos la estructura verticalmente alineada del electrolito de cerámica con el electrolito de polímero, podríamos prever una carretera rápida de iones de litio y así mejorar la conductividad,", dice Haowei Zhai, estudiante de doctorado de Yang y autor del libro. "Creemos que es la primera vez que alguien ha usado el método de plantillas de hielo para hacer electrolito sólido flexible, que no es inflamable y no tóxico, en baterías de litio. Esto abre un nuevo enfoque para optimizar la conducción de iones para baterías recargables de última generación".
Además, dicen los investigadores, esta técnica podría en principio mejorar la densidad energética de las baterías: usando electrolito sólido, el electrodo negativo de la batería de litio, actualmente una capa de grafito, podría ser reemplazado por metal de litio, y esto podría mejorar la energía específica de la batería de 60 a 70%. Yang y Zhai planean trabajar en optimizar las cualidades de los electrolitos combinado y ensamblar el electrolito sólido flexible junto con electrodos de la batería para la construcción de un prototipo de una batería de litio completa.
"Esta es una idea inteligente," dice Hailiang Wang, profesor de química de la Universidad de Yale. "La estructura racionalmente diseñada realmente ayuda a mejorar el rendimiento de electrolito compuesto. Creo que este es un enfoque prometedor".