Un nuevo paso hacia el diseño de mejores baterías de estado sólido para vehículos eléctricos

Los investigadores han venido desarrollando mejores baterías para mejorar la potencia, eficiencia y seguridad de los vehículos eléctricos. Las baterías de litio de estado sólido (SSB) que tienen un electrolito sólido son más seguras que las baterías de iones de litio convencionales porque son menos inflamables y más estables a temperaturas más altas. También tienen más energía que las baterías de iones de litio, lo que permite fabricar baterías más pequeñas y duraderas para la electrónica y otras aplicaciones.

Para conseguir una alta densidad energética en las baterías de litio de estado sólido será necesario diseñar cátodos gruesos que funcionen de forma reversible en condiciones normales de uso.

Ahora, investigadores de la Universidad Northeastern de Boston y el equipo del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía (DOE) han probado baterías de estado totalmente sólido con cátodos gruesos.

Para mejorar las baterías de estado sólido que pueden ayudar a mitigar el impacto climático es necesario comprender mejor su funcionamiento. Las baterías se componen de un ánodo en un lado, un cátodo en el otro, un separador en el centro y una solución electrolítica en todo su recorrido. Cuando las pilas proporcionan energía, los iones de litio fluyen del ánodo al cátodo a través del electrolito. Aunque las baterías de estado sólido no necesitan separadores tradicionales porque el electrolito separa el ánodo del cátodo, sí requieren cátodos gruesos.

En el estudio, los investigadores evaluaron baterías con cátodos gruesos compuestos por dos materiales: un electrolito de sulfuro sólido llamado LPSC y un material activo catódico (CAM) de NMC (níquel, manganeso y cobalto).

Cambiaron la composición de estos dos materiales, de modo que algunas baterías eran 80% CAM, 20% LPSC, mientras que otras eran 70% CAM, 30% LPSC, y 40% CAM, 60% LPSC. A continuación, los investigadores utilizaron imágenes de rayos X y dispersión en la línea de luz 6-BM-A de APS para medir seis cortes dentro del cátodo y el electrolito de estado sólido.

Cambiar la composición o el grosor del cátodo puede modificar el lugar donde se producen las reacciones electroquímicas. «Cuando la gente estudia las baterías, suele medir la potencia en los dos terminales. Pero hay un montón de complicadas estructuras intermedias que determinan el rendimiento de la batería», explica John Okasinski, físico del APS.

Los investigadores pudieron estudiar de forma no destructiva el rendimiento de cada región de la batería utilizando haces de rayos X que penetraban en sus materiales. Descubrieron que la composición del cátodo tenía un gran impacto en cómo se producían las reacciones electroquímicas.

En una batería de estado sólido con un cátodo con un 80% de CAM, la sección del cátodo más cercana al ánodo reaccionaba primero y la más alejada lo hacía en último lugar. En cambio, en una SSB con un cátodo CAM al 70%, la rebanada más alejada reaccionó primero y la más cercana lo hizo en último lugar.

Según Josh Gallaway, de la Universidad Northeastern, «la reacción es muy poco uniforme, y en realidad no vemos una situación en la que sea uniforme». También señaló que esto podría provocar una degradación más rápida del material de la batería.

Además, afirma que descubrir cómo se producen las reacciones dentro de las baterías es un paso importante hacia el diseño de baterías mejores para vehículos eléctricos, aparatos electrónicos portátiles y otras aplicaciones. La forma en que se diseñen las baterías de estado sólido determinará cuáles serán sus aplicaciones y cómo se optimizarán en el futuro.