Solución de tres defectos de la batería de iones de litio con una nueva batería de estado sólido

La primera batería totalmente sólida fue desarrollada por un equipo de ingenieros dirigido por John Goodenough, de 94 años, profesor de la Escuela de Ingeniería de Austin en la Universidad de Texas y uno de los inventores de las baterías de litio. La carga más segura, más rápida y la vida útil más larga de las baterías recargables brindarán nuevas opciones para teléfonos inteligentes, automóviles eléctricos y estaciones de almacenamiento de energía.

John Goodenough, uno de los inventores de las baterías de litio, en su Laboratorio de materiales de batería: Cochrane Engineering College

Goodenough, junto con Maria Helena Braga, investigadora principal del Cochrane College, hicieron el gran avance. Las ventajas de la batería totalmente sólida de bajo costo que desarrollaron son: no solo sin riesgo de combustión, sino también con una vida útil prolongada, una densidad de energía de alto volumen y una potencia de carga y descarga rápida. Los hallazgos se publican en la revista Energy and the Environment.

"El costo, la seguridad, la densidad de energía, las tasas de carga y descarga y la vida útil son factores importantes que determinan si los vehículos eléctricos pueden ser aceptados por el público. Creemos que este resultado ha resuelto muchos de los problemas que enfrenta la batería en la actualidad", dijo Goodenough.

Los investigadores demostraron que la densidad de energía de la nueva batería es tres veces mayor que la de las baterías de litio actuales. Para un automóvil eléctrico, la densidad de energía de la batería determina su kilometraje. Cuanto mayor sea la densidad de energía de la batería, más lejos podrá correr el automóvil después de cada carga. Esta nueva fórmula de batería también aumenta los tiempos de carga y descarga de la batería, lo que a su vez extiende la vida útil de la batería. Además, la nueva batería se carga más rápido (en minutos, ya no son las horas habituales).

Las baterías de litio actuales utilizan electrolitos líquidos para transferir iones de litio desde el ánodo (el electrodo negativo de la batería) al cátodo (el electrodo positivo de la batería). Si la batería se carga demasiado rápido, se formarán dendritas, también conocidas como "bigotes de metal" en la batería y penetrarán en el electrolito líquido para formar un cortocircuito, lo que puede provocar una explosión o un incendio. Después de abandonar los electrolitos líquidos, los investigadores utilizaron un electrolito de vidrio que les permitió utilizar metales alcalinos como electrodos sin formación dendrítica.

En las baterías tradicionales, los metales alcalinos (litio, sodio, potasio) no se pueden utilizar como electrodos. Pero en las baterías totalmente sólidas, los electrodos de metal alcalino aumentan la densidad de energía del cátodo y también prolongan la vida útil de la batería. Los investigadores del laboratorio observaron que la batería puede cargarse y descargarse más de 1.200 veces sin mantener una resistencia baja.

Además, debido a que el electrolito de la batería de estado sólido puede mantener una alta conductividad a menos 20 grados Celsius, el automóvil que usa esta batería aún puede funcionar normalmente en un entorno bajo cero. Esta batería totalmente sólida también puede funcionar a menos 60 grados Celsius.

Kraga, investigador principal del Cochrane College, comenzó a desarrollar baterías de electrolitos de estado sólido en la Universidad de Porto en Portugal. Hace dos años, comenzó a trabajar en el proyecto con el profesor Goodenough, investigador de la Universidad de Austin, Andrew J. Murchison. Braga también reveló que fue la comprensión del profesor Goodenough de la composición y la naturaleza de los electrolitos de vidrio sólido lo que permitió su aplicación a las baterías, una tecnología que ha sido patentada por la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Universidad de Austin.

El electrolito de vidrio permite a los investigadores galvanizar metales alcalinos en el ánodo y el cátodo sin preocuparse por la formación de dendritas, y también simplifica el proceso de fabricación de la batería.

Otra ventaja de esta batería es que el material de fabricación no afecta al medio ambiente. "Los electrolitos de vidrio pueden reemplazar el litio con sodio, que se distribuye ampliamente en el agua de mar y se encuentra fácilmente disponible", dijo Braga.

El profesor Goodenough y Graga continúan con la investigación de baterías y las solicitudes de patentes. A continuación, esperan trabajar con los fabricantes de baterías para desarrollar y probar nuevas baterías para vehículos eléctricos y dispositivos de almacenamiento de energía.

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