Mejores baterías de la investigación del laboratorio Lawrence Berkeley

Jul 11, 2023

https://cleantechnica.com/2022/11/24/byd-may-begin-sodium-ion-battery-production-in-2023/

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Un equipo de investigación dirigido por Gao Liu, científico senior del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio Lawrence Berkeley, publicó recientemente un artículo en la revista Nature Energy en el que informan sobre una nueva tecnología que podría reducir el costo de las baterías de iones de litio y extender su vida útil. vida de servicio. Aquí está el resumen:

Los polímeros eléctricamente conductores han encontrado aplicaciones cada vez mayores en dispositivos de almacenamiento y conversión de energía. En el diseño convencional de polímeros conductores, las funcionalidades orgánicas se introducen mediante enfoques sintéticos ascendentes para mejorar propiedades específicas mediante la modificación de los polímeros individuales. Desafortunadamente, la adición de grupos funcionales produce efectos contradictorios, lo que limita su síntesis a escala y sus aplicaciones amplias.

Aquí mostramos un polímero conductor con bloques de construcción primarios simples que pueden procesarse térmicamente para desarrollar estructuras ordenadas jerárquicamente (HOS) con morfologías nanocristalinas bien definidas. Nuestro enfoque para construir HOS permanentes en polímeros conductores conduce a una mejora sustancial de las propiedades de transporte de carga y la robustez mecánica, que son fundamentales para las baterías prácticas de iones de litio.

Finalmente, demostramos que los polímeros conductores con HOS permiten un rendimiento cíclico excepcional de celdas completas con ánodos basados ​​en SiOx de tamaño micrométrico de alta carga, entregando capacidades de área de más de 3,0 mAh cm-2 en 300 ciclos y una eficiencia Coulombic promedio de >99,95 %. .

"El avance abre un nuevo enfoque para desarrollar baterías para vehículos eléctricos que sean más asequibles y fáciles de fabricar", dijo Liu. La gran noticia aquí es que el llamado recubrimiento HOS-PFM conduce electrones e iones al mismo tiempo, lo que garantiza la estabilidad de la batería y altas tasas de carga/descarga al tiempo que mejora la vida útil de la batería. El recubrimiento también es prometedor como adhesivo para baterías que podría extender la vida útil de una batería de iones de litio de un promedio de 10 años a unos 15 años, añadió.

Crédito: Jenny Nuss, Laboratorio de Berkeley

Este es el título del gráfico que se muestra arriba del Laboratorio de Berkeley:

“Antes de calentar: a temperatura ambiente (20 grados Celsius), las cadenas terminales de alquilo (líneas onduladas negras) en la cadena del polímero PFM limitan el movimiento de los iones de litio (círculos rojos).

“Cuando se calientan a unos 450 grados Celsius (842 grados Fahrenheit), las cadenas terminales alquílicas se derriten, creando sitios “pegajosos” vacíos (líneas onduladas azules) que se “agarran” a los materiales de silicio o aluminio a nivel atómico. Las cadenas de polímeros de PFM luego se autoensamblan en hebras parecidas a espaguetis llamadas "estructuras ordenadas jerárquicamente" o HOS.

“Como una autopista atómica, las cadenas HOS-PFM permiten que los iones de litio viajen con los electrones (círculos azules). Estos iones de litio y electrones se mueven en sincronía a lo largo de las cadenas de polímeros conductores alineadas”.

Si lo estás siguiendo hasta ahora, sigue leyendo. Para demostrar las propiedades conductoras y adhesivas superiores de HOS-PFM, Liu y su equipo recubrieron electrodos de aluminio y silicio con HOS-PFM y probaron su rendimiento en una configuración de batería de iones de litio. El silicio y el aluminio son materiales de electrodos prometedores para baterías de iones de litio debido a su capacidad de almacenamiento de energía potencialmente alta y sus perfiles livianos. Pero estos materiales baratos y abundantes se desgastan rápidamente después de múltiples ciclos de carga/descarga.

Durante experimentos en Advanced Light Source y Molecular Foundry, que forma parte del Lawrence Berkeley Lab, los investigadores demostraron que el recubrimiento HOS-PFM evita significativamente que los electrodos a base de silicio y aluminio se degraden durante el ciclo de la batería, al tiempo que ofrece una alta capacidad de la batería durante 300 ciclos, una tasa de rendimiento a la par de los electrodos de última generación actuales.

Los resultados son impresionantes, dijo Liu, porque las celdas de iones de litio basadas en silicio generalmente duran un número limitado de ciclos de carga/descarga y de vida útil. Los investigadores demostraron con éxito que el recubrimiento HOS-PFM evita significativamente que los electrodos a base de aluminio se degraden durante el ciclo de la batería, al tiempo que ofrece una alta capacidad de la batería durante 300 ciclos. "El avance abre un nuevo enfoque para desarrollar baterías para vehículos eléctricos que sean más asequibles y fáciles de fabricar", dijo Gao.

El recubrimiento HOS-PFM podría permitir el uso de electrodos que contengan hasta un 80% de silicio. Un contenido tan alto de silicio podría aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio en al menos un 30%, afirmó Liu. Además, como el silicio es más barato que el grafito (que es el material estándar para los electrodos en la actualidad), las baterías más baratas podrían aumentar significativamente la disponibilidad de vehículos eléctricos de nivel básico, añadió.

A continuación, el equipo planea trabajar con empresas para ampliar HOS-PFM para la fabricación en masa. Los lectores habituales saben muy bien que los avances en baterías ocurren casi todos los días. CATL anunció esta semana nuevas químicas que permiten que las baterías funcionen mejor en temperaturas frías. Toyota afirma que tendrá baterías de estado sólido en producción para 2026. El interés en las baterías de iones de sodio está por las nubes porque prometen evitar el uso de litio por completo.

El enfoque principal en este momento no es tanto la vida útil de las baterías (los temores iniciales hace una década de que las baterías de los vehículos eléctricos tendrían que ser reemplazadas después de dos o tres años se han desvanecido) sino más bien los costos y las implicaciones ambientales de la extracción de cobalto y litio. , manganeso y níquel necesarios para fabricarlos.

Curiosamente, nadie cuestiona nunca las implicaciones ambientales de extraer petróleo y gas metano debajo de la superficie de la Tierra o las consecuencias de bombear miles de millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera. Nadie reconoce jamás que el cobalto se utiliza en el refinado del petróleo crudo. De algún modo, está perfectamente bien que los niños pequeños de la República Democrática del Congo extraigan cobalto de la Tierra si se utiliza para fabricar gasolina o plásticos, pero no está bien que hagan lo mismo si se utiliza para fabricar baterías. La hipocresía de los acólitos de los combustibles fósiles es interminable y simplemente impresionante.

No obstante, la búsqueda de baterías que tengan mayor densidad de energía y menores costos es vital para que la revolución de los vehículos eléctricos tenga pleno éxito. En el futuro, Lawrence Berkeley Lab necesitará compartir su tecnología con varios fabricantes de baterías que fabricarán prototipos de baterías utilizando esta nueva tecnología. Luego, esas baterías se suministrarán a varios fabricantes de automóviles que las utilizarán para realizar pruebas en el mundo real.

Si están a la altura, si funcionan como se espera y si son menos costosas que las baterías que esos fabricantes utilizan actualmente, entonces pueden encontrar su camino hacia los vehículos de producción. Por lo general, todos esos “si” significan que faltan unos 5 años para las aplicaciones comerciales, y ese es el mejor de los casos.

La conclusión de todo esto es que vienen mejores baterías. Las baterías del mañana serán más potentes, más duraderas y costarán menos que cualquier otra disponible en la actualidad. La verdadera pregunta es si llegarán a tiempo para convencer finalmente al mundo de que abandone su hábito de utilizar combustibles fósiles.

Steve escribe sobre la interfaz entre tecnología y sostenibilidad desde su casa en Florida o cualquier otro lugar donde la Fuerza lo lleve. Está orgulloso de estar "despertado" y realmente le importa un bledo por qué se rompió el cristal. Cree apasionadamente en lo que dijo Sócrates hace 3.000 años: "El secreto del cambio es centrar toda tu energía no en luchar contra lo viejo sino en construir lo nuevo".

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