Les bateries de càrrega ràpida de llarga durada són essencials per a l’expansió del mercat de vehicles elèctrics, però les bateries de ions de liti d’avui dia no arriben el que es necessita: són massa pesades, massa cares i triguen massa a carregar-se.
Durant dècades, els investigadors han intentat aprofitar el potencial de les bateries de metall de liti d’estat sòlid, que retenen substancialment més energia en el mateix volum i es carreguen en una fracció de temps en comparació amb les bateries de ions de liti tradicionals. «Una bateria de metall de liti es considera el Sant Grial de la química de la bateria per la seva alta capacitat i densitat d’energia», va dir Xin Li, professor associat de ciència de materials a l’Escola d’Enginyeria i Ciències Aplicades John A. Paulson d’Harvard (SEAS). «Però l’estabilitat d’aquestes bateries sempre ha estat pobre».
Ara, Li i el seu equip han dissenyat una bateria estable, de metall de liti i estat sòlid que es pot carregar i descarregar a el menys 10.000 vegades, molts més cicles dels que s’han demostrat anteriorment, a una alta densitat de corrent. Els investigadors van aparellar el nou disseny amb un material de càtode comercial d’alta densitat d’energia.
Aquesta tecnologia de bateria podria augmentar la vida útil dels vehicles elèctrics a la dels automòbils de gasolina, de 10 a 15 anys, sense la necessitat de reemplaçar la bateria. Amb la seva alta densitat de corrent, la bateria podria aplanar el camí per als vehicles elèctrics que poden carregar-se completament entre 10 i 20 minuts. La investigació es publica a Nature.
“La nostra investigació mostra que la bateria d’estat sòlid podria ser fonamentalment diferent de la bateria comercial de ions de liti d’electròlit líquid”, va dir Li. «A l’estudiar la seva termodinàmica fonamental, podem desbloquejar un rendiment superior i aprofitar les seves abundants oportunitats». El gran desafiament amb les bateries de metall de liti sempre ha estat la química. Les bateries de liti mouen els ions de liti de el càtode a l’ànode durant la càrrega. Quan l’ànode està fet de metall de liti, es formen estructures en forma d’agulla trucades dendrites a la superfície. Aquestes estructures creixen com arrels en l’electròlit i perforen la barrera que separa l’ànode i el càtode, provocant que la bateria es cortocircuiti o fins i tot s’incendiï.
Per superar aquest desafiament, Li i el seu equip van dissenyar una bateria multicapa que aparella diferents materials de diferents estabilitats entre l’ànode i el càtode. Aquesta bateria multicapa i multimaterial evita la penetració de les dendrites de liti no parant-les del tot, sinó controlant i contenint.
«La nostra estratègia d’incorporar inestabilitat per estabilitzar la bateria se sent contrària a la intuïció, però a l’igual que un àncora pot guiar i controlar un cargol que s’estavella contra una paret, la nostra guia de disseny multicapa també pot controlar el creixement de dendrites», va dir Luhan Ye, co -autor de l’article i estudiant de postgrau a SEAS.
«La diferència és que el nostre ancoratge ràpidament es torna massa atapeït perquè la dendrita pugui perforar, de manera que s’atura el creixement de la dendrita», va afegir Li. La bateria també es repara automàticament; la seva química li permet omplir els forats creats per les dendrites.
«Aquest disseny de prova de concepte mostra que les bateries d’estat sòlid de metall de liti podrien ser competitives amb les bateries comercials de ions de liti», va dir Li. «I la flexibilitat i versatilitat del nostre disseny multicapa ho fa potencialment compatible amb els procediments de producció en massa a la indústria de les bateries. No serà fàcil escalar-a la bateria comercial i encara hi ha alguns desafiaments pràctics, però creiem que se superaran». Font:elperiodicodelaenergia