Las baterías de estado sólido se convierten en la mejor opción para alimentar las baterías de litio, pero aún quedan tres dificultades por superar

La urgente necesidad de reducir las emisiones de carbono está impulsando un rápido movimiento hacia la electrificación del transporte y la expansión del despliegue de energía solar y eólica en la red.Si estas tendencias aumentan como se espera, se intensificará la necesidad de mejores métodos para almacenar energía eléctrica.

Necesitamos todas las estrategias que podamos obtener para abordar la amenaza del cambio climático, dice la Dra. Elsa Olivetti, profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales en Esther y Harold E. Edgerton.Claramente, el desarrollo de tecnologías de almacenamiento masivo basadas en redes es crucial.Pero en el caso de las aplicaciones móviles, especialmente el transporte, gran parte de la investigación se centra en adaptar las tecnologías actuales.baterías de iones de litiopara ser más seguros, más pequeños y capaces de almacenar más energía para su tamaño y peso.

Las baterías de iones de litio convencionales continúan mejorando, pero sus limitaciones continúan, en parte debido a su estructura.Las baterías de iones de litio constan de dos electrodos, uno positivo y otro negativo, intercalados en un líquido orgánico (que contiene carbono).Cuando la batería está cargada y descargada, las partículas de litio cargadas (o iones) pasan de un electrodo al otro a través del electrolito líquido.

Un problema con este diseño es que a ciertos voltajes y temperaturas, el electrolito líquido puede volverse volátil e incendiarse.Por lo general, las baterías son seguras con un uso normal, pero el riesgo persiste, dice el Dr. Kevin Huang Ph.D.'15, científico investigador del grupo de Olivetti.

Otro problema es que las baterías de iones de litio no son adecuadas para su uso en automóviles.Los paquetes de baterías grandes y pesados ​​ocupan espacio, aumentan el peso total del vehículo y reducen la eficiencia del combustible.Pero está resultando difícil hacer que las baterías de iones de litio actuales sean más pequeñas y livianas mientras se mantiene su densidad de energía: la cantidad de energía almacenada por gramo de peso.

Para resolver estos problemas, los investigadores están cambiando las características clave de las baterías de iones de litio para crear una versión totalmente sólida o de estado sólido.Están reemplazando el electrolito líquido en el medio con un electrolito sólido delgado que es estable en una amplia gama de voltajes y temperaturas.Con este electrolito sólido, utilizaron un electrodo positivo de alta capacidad y un electrodo negativo de metal de litio de alta capacidad que era mucho menos grueso que la capa de carbono poroso habitual.Estos cambios permiten una celda general mucho más pequeña mientras mantienen su capacidad de almacenamiento de energía, lo que resulta en una mayor densidad de energía.

Estas características - seguridad mejorada y mayor densidad de energía- son probablemente los dos beneficios más comúnmente promocionados de las posibles baterías de estado sólido, sin embargo, todas estas cosas son prospectivas y esperadas, y no necesariamente alcanzables.Sin embargo, esta posibilidad tiene a muchos investigadores luchando por encontrar los materiales y diseños que cumplirán esta promesa.

Pensando más allá del laboratorio

Los investigadores han ideado una serie de escenarios intrigantes que parecen prometedores en el laboratorio.Pero Olivetti y Huang creen que, dada la urgencia del desafío del cambio climático, pueden ser importantes consideraciones prácticas adicionales.Los investigadores siempre tenemos métricas en el laboratorio para evaluar posibles materiales y procesos, dice Olivetti.Los ejemplos pueden incluir la capacidad de almacenamiento de energía y las tasas de carga/descarga.Pero si el objetivo es la implementación, sugerimos agregar métricas que aborden específicamente el potencial de escalamiento rápido.

Materiales y disponibilidad

En el mundo de los electrolitos inorgánicos sólidos, existen dos tipos principales de material: óxidos que contienen oxígeno y sulfuros que contienen azufre.El tantalio se produce como subproducto de la extracción de estaño y niobio.Los datos históricos muestran que la producción de tantalio está más cerca del máximo potencial que la de germanio durante la extracción de estaño y niobio.Por lo tanto, la disponibilidad de tantalio es una preocupación mayor para la posible ampliación de las células basadas en LLZO.
Sin embargo, conocer la disponibilidad de un elemento en el suelo no resuelve los pasos necesarios para ponerlo en manos de los fabricantes.Por lo tanto, los investigadores investigaron una pregunta de seguimiento sobre la cadena de suministro de elementos clave: minería, procesamiento, refinación, transporte, etc. Suponiendo que haya un suministro abundante, ¿puede expandirse la cadena de suministro para entregar estos materiales lo suficientemente rápido para satisfacer demanda de pilas?

En un análisis de muestra, observaron cuánto necesitaría crecer la cadena de suministro de germanio y tantalio año tras año para proporcionar baterías para la flota de vehículos eléctricos proyectada para 2030.Como ejemplo, una flota de vehículos eléctricos, a menudo citada como objetivo para 2030, necesitaría producir suficientes baterías para proporcionar un total de 100 gigavatios hora de energía.Para lograr este objetivo, usando solo baterías LGPS, la cadena de suministro de germanio tendría que crecer un 50 % año tras año, un tramo, ya que la tasa de crecimiento máxima ha sido de alrededor del 7 % en el pasado.Usando solo células LLZO, la cadena de suministro de tantalio tendría que crecer alrededor de un 30 %, una tasa de crecimiento muy por encima del máximo histórico de alrededor del 10 %.

Estos ejemplos muestran la importancia de tener en cuenta la disponibilidad de materiales y la cadena de suministro al evaluar el potencial de aumento de escala de diferentes electrolitos sólidos, dice Huang: incluso si la cantidad de un material no es un problema, como en el caso del germanio, el aumento de escala de todos los pasos en la cadena de suministro para igualar la producción de futuros vehículos eléctricos pueden requerir una tasa de crecimiento prácticamente sin precedentes.

Materiales y procesamiento

Otro factor a considerar al evaluar el potencial de escalabilidad del diseño de una batería es la dificultad del proceso de fabricación y el impacto que puede tener en el costo.Inevitablemente, hay muchos pasos involucrados en la fabricación de una batería de estado sólido, y la falla de cualquier paso aumenta el costo de cada celda producida con éxito.
Como representación de la dificultad de fabricación, Olivetti, Ceder y Huang exploraron el impacto de la tasa de fallas en el costo total de los diseños de baterías de estado sólido seleccionados en su base de datos.En un ejemplo, se centraron en el óxido LLZO.LLZO es muy frágil y las hojas grandes lo suficientemente delgadas como para usarse en baterías de estado sólido de alto rendimiento probablemente se agrieten o deformen a las altas temperaturas involucradas en el proceso de fabricación.
Para determinar las implicaciones de costos de tales fallas, simularon los cuatro pasos de procesamiento clave involucrados en el ensamblaje de celdas LLZO.En cada paso, calcularon el costo con base en un rendimiento supuesto, es decir, la proporción del total de celdas que se procesaron con éxito y sin fallas.Para LLZO, el rendimiento fue mucho menor que para los otros diseños que estudiaron;además, a medida que disminuía el rendimiento, el costo por kilovatio-hora (kWh) de energía celular aumentaba significativamente.Por ejemplo, cuando se agregaron un 5 % más de celdas al paso final de calentamiento del cátodo, el costo aumentó alrededor de $30/kWh, un cambio insignificante si se tiene en cuenta que el costo objetivo generalmente aceptado para dichas celdas es de $100/kWh.Claramente, las dificultades de fabricación pueden tener un profundo impacto en la viabilidad de la adopción a gran escala del diseño.


Hora de publicación: 09-sep-2022