Desde computadoras portátiles hasta vehículos eléctricos, baterías de litio y vida cotidiana. Sin embargo, dado que la demanda de dispositivos de larga duración está en riesgo de mover la energía de suministro de energía, los investigadores buscan baterías más poderosas.
La ingeniería mecánica y aeroespacial y un profesor asociado del Centro de Energía de Energía y Medio Ambiente, dirigido por Calece Hetzel, ha revelado ideas que pueden ayudar a fortalecer un nuevo tipo de batería, llamada batería de estado sólido libre de inodo, pasando el litio.
Comprendiendo cómo estas baterías modernas de estado sólido funcionan en variaciones y fallan, la investigación de Hetzel es consciente de su rendimiento y esfuerzos para mejorar el fabricante, lo que les ayuda a pasar del laboratorio al mundo real para apoyar la transferencia de energía limpia.
“Si podemos introducir con éxito estas baterías entrantes, podemos acceder a la densidad de energía que son imposibles con las baterías tradicionales”, dijo Heatzel. “Esto significará que su computadora portátil y su teléfono continuarán por más tiempo a cargo. Puede permitir que los vehículos eléctricos vayan a más de 500 millas a cargo. Puede llevarnos a descubrir imposible hoy, como la aviación eléctrica”.
Estos documentos fueron creados como un líder desarrollado para la comprensión química mecánica de los conductores de iones sólidos (música) debido a la participación del Heatzel, un Centro de Frontera de Investigación de Energía, en colaboración con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, cuyo miembro está operando para el sistema de almacenamiento de energía electroquímica. La música está encabezada por la Universidad de Michigan en Ann Arbor e incluye 16 miembros de la facultad de nueve instituciones, incluida la Universidad de Princeton.
“El director de la música en California Santa Bárbara y el profesor de almacenamiento de energía material e mecánico, Jeff Sakamoto, dijo:” Las baterías de estado sólido pueden revolucionar la tecnología de almacenamiento de energía, pero un desafío clave es desarrollarlas en una escala. “” El trabajo de Hetzel está jugando un papel importante en la mejora del proceso de preparación para estados sólidos, y su trabajo con la música es un ejemplo de cómo los enfoques de investigación integrados pueden ayudar a superar los desafíos multilaterales complejos.
Batterías: un vistazo a la parte inferior del capó
Tradicionalmente, las baterías contienen dos electrodos: un positivo (comúnmente llamado cátodo) y un negativo (ánodo). Cada electrodo se combina con una lámina de metal delgada llamada colector de corriente, que conecta la batería al circuito exterior, y los dos electrodos se separan entre sí a través de un electrolito.
El movimiento de los iones entre los dos electrodos fortalece la batería. Cuando se carga la batería, los iones fluyen desde el electrodo positivo, a través del electrolito y el electrodo negativo. Cuando se descarga la batería, el flujo de iones cambia las instrucciones.
En comparación con la batería de iones de litio familiar, el Heatzel y sus estudios grupales que son diferentes en dos niveles básicos.
Primero, mientras que el electrolito en las baterías de iones de litio es un líquido, la batería de estado sólido tiene electrolito, ya que muestra su nombre, un sólido.
La diferencia es importante. Las baterías de estado sólido pueden ahorrar más energía en menos espacio que las baterías de iones de litio, y abrir límites de conducción largos para vehículos eléctricos. También pueden trabajar con alto rendimiento en una amplia gama de temperaturas y prometen más estabilidad que sus homólogos de litio.
En segundo lugar, las baterías que son baterías son ‘líquidos de ánodo’, lo que significa que se ha eliminado el electrodo negativo. En cambio, los iones fluyen desde el cátodo positivo directamente hasta los extremos de anti -batteria del coleccionista actual. Los iones se colocan en el colector actual, que formó una capa de metal delgada como una compensación de batería.
La eliminación del ánodo hace que la batería sea más barata e incluso más compacta que las baterías de estado sólido estándar. Al mismo tiempo, las baterías de estado sólido libre de inodo evitan un obstáculo importante para el despliegue en comparación con las baterías de estado sólido estándar, ya que la mayoría de las baterías de estado sólido son una lámina de metal de litio que requiere un enfoque de fabricación especial.
“Si puede recoger una batería sin ánodo de metal de litio, será mucho menos probable que aproveche los procesos de fabricación actuales”, dijo Heatzel. “Si desea hacer mella en el mercado de baterías, estos dos beneficios son clave”.
Agrietamiento en presión
Aunque estas baterías de próxima generación se ven bien en el papel, enfrentan prácticamente muchos desafíos. Lo más importante es garantizar un buen contacto entre el electrolito sólido y el colector de corriente. Esto asegura que tan pronto como el ion viaja a través del electrolito, cuando la batería se carga y se deposita igualmente con el presente, se recolectan por igual.
En una disertación, apareció el 22 de febrero Publicaciones de energía ACSHetzel y el primer autor, Si Huan Park, que es investigador post -documental en su grupo, encontraron que los factores como la presión sobre la batería afectan el contacto entre el electrolito y el colector de corriente.
El parque dijo: “Al cargar y eliminar, la batería está pasando por una respuesta electroquímica. Al aplicar la presión externa, también estamos introduciendo fuerzas mecánicas”. “Este es un sistema muy complejo, que tiene muchas fuerzas de comunicación”.
A diferencia de los electrolitos líquidos en las baterías tradicionales que pueden cambiar fácilmente la forma, los electrolitos sólidos son estrictos. Por lo tanto, cualquier tipo de defectos o irregularidades en el nivel de electrolito o colector de corriente en la batería de estado sólido puede afectar negativamente la calidad de contacto entre los dos componentes.
El equipo descubrió que la baja presión en el sistema no funciona lo suficiente como para mejorar el contacto desigual causado por las irregularidades de estos niveles, lo que resulta en que los iones se plantean y fluctúen el colector de corriente a medida que la batería se recuperaba y se eliminaba. Las buenas áreas de contacto se convirtieron en puntos críticos, mientras que las áreas de contacto deficientes crearon videos. Finalmente, el recubrimiento desigual provoca la formación de follaje de metal afilado que puede perforar electrolitos sólidos como agujas pequeñas y causar cortocircuito a la batería.
Bajo alta presión, los investigadores enfrentaron un problema diferente. Aunque descubrieron que la alta presión admite mejores contactos y más recubrimiento y eliminación uniformes, el electrolito de alta presión y el colector de corriente tan intensamente que cualquier tipo de defectos aumenta hasta que el estrés mecánico se debe a la fractura.
Por lo tanto, las baterías fallaron debido a la baja y alta presión, pero por varias razones, muy poco o demasiado contacto entre el electrolito y el colector de corriente. Heatzel dijo que ambas formas de falla de hacer que las baterías de estado sólido libres de inodo brindan nuevas ideas sobre las mejores formas de construir y operar.
“Holi Grill tiene que saber cómo mantener un contacto sólido a baja presión, porque es prácticamente imposible desarrollar un electrolito defectuoso”, dijo Heetzel. “Si queremos entender las capacidades de estas baterías, tenemos que resolver el problema de contacto”.
Una capa plateada
Aunque los resultados de su trabajo resaltaron la importancia del contacto entre el electrolito y el coleccionista actual, que apareció en el contenido de energía moderna el 19 de diciembre, la segunda disertación del grupo Hetzel, investigando un método para lograr este contacto.
En este artículo, los investigadores mostraron que es posible obtener más iones y eliminar el ion uniforme aplicando un recubrimiento delgado entre el colector actual y el electrolito para facilitar un mejor transporte de iones.
En su trabajo, los investigadores experimentaron muchos de estos recubrimientos, llamados inteligencia, para estudiar cómo su estructura y síntesis tuvieron un impacto en cómo se montaron los iones mientras se cargaba la batería.
Alineación con investigaciones anteriores, el equipo descubrió que la ingesta intravenosa de la ingesta de ingesta de nano -partículas es excelente para lograr una acumulación uniforme de metal. En estos interortes, la plata se mezcló con iones durante la carga y descarga de la batería, lo que también permite que el colector de corriente se plalage y lo elimine.
Sin embargo, el equipo descubrió que el tamaño de las nano partículas de plata hace la diferencia. Grandes, 200 nanómetros con partículas de plata en el colector de corriente. Estos cables, como las estructuras, hacen que la batería sea menos duradera, lo que hace que muchos ciclos de carga tengan capacidad y falla final de la batería.
Pequeñas partículas de plata de 50 nanomómetro destinadas a estructuras más densas y más uniformes, causando más estabilidad y baterías de alta generación de energía.
El parque dijo: “Solo unos pocos grupos han investigado el proceso real que se encuentra en estas inteligencia”. “En otros resultados, demostramos que la estabilidad de estos sistemas está vinculada a la forma de metal, ya que son las placas y tiras del coleccionista actual”.
El parque explicó, hirviendo la diferencia, el proceso de asignación, lo que hace que las partículas de plata se propagen en la intersección. Esta extensión causa la tensión local que puede cambiar la estructura intestinal, que puede crear y expandir los iones que fluyen los agujeros. Cuando las nano partículas eran pequeñas y bien dispersas, por lo tanto, la tensión se dividió más igualmente en el interlano.
“Estos resultados pueden informar estos entrelazamientos sobre la estrategia de fabricar estos intercaladores”, dijo el parque. “Al reducir el tamaño de las partículas de plata, podemos asegurarnos de que solo obtenemos beneficios de plata en la intersección, lo que a su vez, incluso a baja presión, nos permite obtener contacto y enchapado uniforme”.
Cargando en el futuro
Además del trabajo experimental de su grupo, Hetzel y varios colegas de la música revisaron el estado actual de las baterías de estado sólido sin inducido, que resumió el progreso reciente en un artículo publicado en el contenido de Nature el 2 de enero e identificó el excelente espacio de investigación.
Uno de los mayores brechas en la investigación de baterías, Park y Hetzell, que demuestra si se pueden agregar técnicas exitosas en el laboratorio a la escala y la cadena de suministro de fabricación de baterías existente. Ahí también tienen esperanzas.
Las baterías estatales sólidas han sido prometedoras durante muchos años, ya que el futuro del almacenamiento de energía, dijo Hetzel en países como China, Japón y Corea del Sur, ahora hay planes casi a plazo para comercializar baterías estatales sólidas. Por ejemplo, Samsung se ha comprometido a lanzar baterías de estado sólido a gran escala para 2027, y Toyota tiene un objetivo de producción en masa de 2030.
Hetzel dijo: “El desafío llegará al mundo real por la investigación en solo unos años”.
