Com prevenir curtcircuits a la propera generació de bateries de liti? El MIT ha trobat un nou mètode

A mesura que els investigadors continuen trencant els límits del disseny de les bateries i busquen adaptar més potència i energia a un espai o pes determinat, una de les tecnologies més prometedores que s'estudien són les bateries d'ions de liti, que utilitzen materials d'electròlit sòlid entre dos elèctrodes en comptes de líquids típics.

Però aquest tipus de bateries sempre ha estat afectat per la tendència de formar una protuberància metàl·lica ramificada en un dels elèctrodes, que finalment connecta l'electròlit i provoca un curtcircuit de la bateria. Ara, investigadors del MIT i d'altres llocs han trobat una manera d'evitar la formació de dendrites, que podrien alliberar el potencial d'aquest nou tipus de bateria d'alta energia.

Els resultats de la investigació es van publicar a la revista Natural Energy i els van completar conjuntament els estudiants de postgrau Richard Parker, el professor Jiang Huiming i el professor Craig Carter de l'Institut Tecnològic de Massachusetts, així com altres set de l'Institut Tecnològic de Massachusetts, la Universitat A&M de Texas. , Brown University i Carnegie Mellon University.

Jiang va explicar que les bateries d'estat sòlid són una tecnologia que s'ha buscat durant molt de temps per dos motius: la seguretat i la densitat energètica. Tanmateix, va dir: "L'única manera d'aconseguir aquesta interessant densitat d'energia és utilitzar elèctrodes metàl·lics". Va dir que tot i que els elèctrodes metàl·lics encara es poden combinar amb electròlits líquids per aconseguir una bona densitat d'energia, això no ofereix els mateixos avantatges de seguretat que els electròlits sòlids.

Va dir que les bateries d'estat sòlid només tenen sentit en els elèctrodes metàl·lics, però els intents de desenvolupar aquestes bateries s'han vist obstaculitzats pel creixement dendrític, que finalment connecta la bretxa entre les dues plaques d'elèctrodes, provocant un curtcircuit del circuit, debilitant o desactivant les cèl·lules en la bateria.

Ja sabem que quan el corrent és alt, les dendrites es formen més ràpidament, cosa que sol ser necessària per a una càrrega ràpida. Fins ara, la densitat de corrent obtinguda a les bateries experimentals d'estat sòlid és molt inferior a la densitat de corrent necessària per a les bateries recarregables comercials reals. Però Jiang va dir que val la pena seguir aquesta perspectiva perquè la versió experimental d'aquesta bateria pot emmagatzemar el doble d'energia que les bateries d'ions de liti tradicionals.

L'equip va resoldre el problema de les dendrites fent compromisos entre estats sòlids i líquids. Van fer un elèctrode semisòlid en contacte amb el material electròlit sòlid. L'elèctrode semisòlid proporciona una superfície d'autocuració a la interfície, en lloc d'una superfície sòlida fràgil, que pot provocar petites esquerdes i proporcionar la llavor inicial per a la formació de dendrites.

Aquesta idea es va inspirar en bateries experimentals d'alta temperatura, on un o tots dos elèctrodes estan composts de metall fos. Segons el primer autor de l'article, Park, no és possible utilitzar una bateria de metall fos d'uns pocs centenars de graus per a dispositius portàtils, però aquest treball demostra que les interfícies líquides poden aconseguir una alta densitat de corrent sense formar dendrites. Park va dir: "La nostra motivació és desenvolupar elèctrodes basats en aliatges acuradament seleccionats per introduir una fase líquida que pugui servir com a element d'autocuració per als elèctrodes metàl·lics".

Va explicar que aquest material té una solidesa més forta que un líquid, però és similar a l'amalgama que utilitzen els dentistes per omplir cavitats, però encara pot fluir i formar formes. A la temperatura de funcionament normal de la bateria, estarà en un estat en què existeixen simultàniament fases sòlides i líquides. En aquest cas, la fase sòlida està formada per una barreja de sodi i potassi. Jiang va dir que l'equip d'investigació ha demostrat que és possible operar el sistema amb un corrent de 20 vegades superior al de l'ús de liti sòlid sense formar cap dendrita. El següent pas és replicar aquest rendiment mitjançant un elèctrode de liti real.

A la segona versió de la bateria d'estat sòlid, l'equip va introduir una capa molt fina d'aliatge de sodi potassi líquid entre l'elèctrode de liti d'estat sòlid i l'electròlit d'estat sòlid. Indiquen que aquest mètode també pot superar problemes dendrítics, proporcionant un altre enfocament per a més investigacions.

Jiang va dir que aquest nou mètode es pot aplicar fàcilment a moltes versions diferents de bateries de liti d'estat sòlid, i investigadors de tot el món estan estudiant aquest tipus de bateries. Va dir que el següent pas per a l'equip serà demostrar l'aplicabilitat del sistema en diverses arquitectures de bateries. El coautor Viswanatan, professor d'enginyeria mecànica a la Universitat Carnegie Mellon, va dir: "Creiem que podem transformar aquest mètode en qualsevol bateria d'ió de liti d'estat sòlid. Creiem que es pot aplicar immediatament en el desenvolupament de bateries, àmpliament utilitzat en dispositius portàtils. , vehicles elèctrics i camps elèctrics".