Un equipo de investigación multiinstitucional dirigido por Heilong Chen de Georgia Tech ha desarrollado un nuevo cátodo de bajo costo que podría mejorar radicalmente las baterías de iones de litio (LIB), potencialmente dirigido al mercado de vehículos eléctricos (EV) y aplicaciones a gran escala. transformar los sistemas de almacenamiento de energía a escala. .
“Durante mucho tiempo, la gente ha estado buscando una alternativa más económica y duradera a los materiales catódicos existentes. Creo que tenemos una”, dijo Chen, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff. ” dijo Chen. Ingeniería y Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
El material revolucionario, el cloruro de hierro (FeCl3), cuesta sólo entre el 1 y el 2 % de los materiales catódicos comunes y puede almacenar la misma cantidad de electricidad. Los materiales del cátodo afectan la capacidad, la energía y la eficiencia, que desempeñan un papel importante en el rendimiento, la vida útil y la asequibilidad de la batería.
“Nuestro cátodo podría cambiar las reglas del juego”, dijo Chen, cuyo equipo describe su trabajo. Sostenibilidad de la naturaleza. “Esto mejorará enormemente el mercado de vehículos eléctricos y todo el mercado de baterías de iones de litio”.
Comercializados por primera vez por Sony a principios de la década de 1990, los LIB provocaron una explosión en la electrónica personal, como teléfonos inteligentes y tabletas. Con el tiempo, la tecnología evolucionó para alimentar vehículos eléctricos, proporcionando una fuente de energía confiable, recargable y de alta densidad. Pero a diferencia de los dispositivos electrónicos personales, los consumidores masivos de energía, como los vehículos eléctricos, son particularmente sensibles al costo de los LIB.
Actualmente, las baterías representan alrededor del 50% del costo total de un vehículo eléctrico, lo que hace que estos autos de energía limpia sean más caros que sus primos de combustión interna que arrojan gases de efecto invernadero. El invento del equipo de Chen podría cambiar eso.
Construyendo una mejor batería
En comparación con las antiguas baterías alcalinas y de plomo-ácido, las LIB almacenan más energía en un paquete más pequeño y proporcionan más energía a un dispositivo entre cargas. Pero los LIB contienen metales caros, incluidos elementos semipreciosos como el cobalto y el níquel, y sus costes de producción son elevados.
Hasta ahora, sólo se han comercializado con éxito cuatro tipos de cátodos para LIB. Chen tendría el quinto y representaría un gran paso adelante en la tecnología de baterías: el desarrollo de una LIB totalmente de estado sólido.
Los LIB convencionales utilizan electrolitos líquidos para transportar iones de litio para almacenar y liberar energía. Tienen un límite estricto sobre la cantidad de energía que se puede almacenar y pueden tener fugas e incendiarse. Pero las LIB totalmente de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, lo que aumenta drásticamente el rendimiento y la confiabilidad de la batería y le permite ser más segura y retener más energía. Estas baterías, aún en fase de desarrollo y prueba, supondrán una mejora significativa.
Mientras los investigadores y fabricantes del planeta se apresuran a hacer práctica la tecnología de estado sólido, Chen y sus colegas han desarrollado una solución asequible y sostenible. Con un cátodo de FeCl3, un electrolito sólido y un ánodo de metal de litio, todo su sistema de batería cuesta entre el 30 y el 40 % de los LIB actuales.
“Esto no sólo podría hacer que los vehículos eléctricos sean mucho más baratos que los automóviles de combustión interna, sino que también proporcionaría una forma nueva y prometedora de almacenamiento de energía a gran escala, aumentando la flexibilidad de la red eléctrica”, dijo Chen. “Además, nuestro cátodo mejorará enormemente la sostenibilidad del mercado de vehículos eléctricos y la estabilidad de la cadena de suministro”.
Un comienzo sólido para un nuevo descubrimiento.
El interés de Chen en el FeCl3 como material catódico comenzó con su investigación de laboratorio en materiales electrolíticos sólidos. A partir de 2019, su laboratorio intentó crear baterías de estado sólido utilizando electrolitos sólidos a base de cloruro con cátodos comerciales tradicionales a base de óxido. No salió bien: los materiales del cátodo y del electrolito no se mezclaban.
Los investigadores creían que un cátodo a base de cloruro podría proporcionar un mejor acoplamiento con el electrolito de cloruro para ofrecer un mejor rendimiento de la batería.
“Encontramos un candidato (FeCl3) que vale la pena probar, porque su estructura cristalina es potencialmente adecuada para almacenar y transportar iones Li y, afortunadamente, funcionó como esperábamos”, dijo Chen. “¿Qué?”
Actualmente, los cátodos más utilizados en los vehículos eléctricos son los óxidos y requieren níquel y cobalto, elementos muy pesados que pueden ser tóxicos y suponer un desafío medioambiental. Por el contrario, el cátodo del equipo de Chen contenía sólo hierro (Fe) y cloro (Cl), elementos abundantes, baratos y ampliamente utilizados que se encuentran en el acero y la sal de mesa.
En sus pruebas iniciales, se descubrió que el FeCl3 funcionaba tan bien o mejor que otros cátodos mucho más caros. Por ejemplo, tiene un voltaje de funcionamiento más alto que el cátodo LiFePO4 (fosfato de litio y hierro o LFP) de uso común, que proporciona una batería cuando se conecta a un dispositivo, como el agua de una manguera de jardín.
Esta tecnología podría tardar menos de cinco años en ser comercialmente viable en vehículos eléctricos. Por ahora, el equipo seguirá investigando el FeCl3 y materiales relacionados, según Chen. El trabajo fue dirigido por Chen y el postdoctorado Zhantao Liu (autor principal del estudio). Entre los contribuyentes se incluyeron investigadores de la Escuela Woodruff de Georgia Tech (Ting Zhou) y la Escuela de Ciencias de la Tierra y la Atmósfera (Yuanzi Tang), así como del Laboratorio Nacional Oak Ridge (Ju Liu) y la Universidad de Houston (Shuo Chen).
“Queremos hacer que el material sea lo más perfecto posible en el laboratorio y comprender los mecanismos de trabajo subyacentes”, dijo Chen. “Pero estamos abiertos a oportunidades para expandir la tecnología e impulsarla hacia aplicaciones comerciales”.
