ETRI, DGIST desarrollar nueva estructura de electrodos para la batería secundaria de estado sólido

- Dec 04, 2020-

Fuente: scienmag.com


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Crédito: Instituto de Investigación en Electrónica y Telecomunicaciones (ETRI)


Investigadores surcoreanos han desarrollado un nuevo tipo de estructura de electrodos para baterías secundarias de estado sólido. Si se adopta esta tecnología, la densidad energética de las baterías podría aumentar significativamente en comparación con las tecnologías existentes, contribuyendo enormemente al desarrollo de baterías secundarias de alto rendimiento.


Un equipo de investigación conjunto del Instituto de Investigación en Electrónica y Telecomunicaciones (ETRI) y el Instituto de Ciencia y Tecnología De Daegu Gyeongbuk (DGIST) anunció que había diseñado una nueva estructura de electrodos para baterías secundarias de estado sólido después de identificar el mecanismo de difusión de iones de litio fáciles entre materiales activos. El logro recibió reconocimiento internacional cuando los resultados fueron publicados por ACS Energy Letters, una revista académica internacional en línea especializada en el sector energético que está dirigida por la American Chemical Society (ACS)*.


A diferencia de las células primarias que solo se pueden utilizar una vez y nunca pueden ser reutilizadas, las baterías secundarias se pueden recargar y utilizar repetidamente. Con los recientes avances en dispositivos electrónicos, la importancia de la tecnología de baterías secundarias para robots, coches eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía (ESS) y drones está creciendo año tras año.


La batería secundaria de estado sólido es un dispositivo de almacenamiento de energía de última generación que utiliza un electrolito sólido para transportar iones dentro de electrodos de batería. Los electrolitos sólidos son más seguros que los electrolitos líquidos, lo que puede provocar un incendio. Además, los electrolitos sólidos se pueden implementar en una célula secundaria de tipo bipolar* para aumentar la densidad de energía mediante una configuración de batería simple.


La estructura de electrodos de una célula secundaria convencional de estado sólido consiste en un electrolito sólido responsable de la conducción iónica, un aditivo conductor que proporciona los medios para la conducción de electrones; material activo responsable del almacenamiento de energía; y un aglutinante que sostiene estas partes constitutivas física y químicamente.


Los investigadores de ETRI descubrieron a través de experimentos sistemáticos, sin embargo, que los iones se transportan incluso entre partículas de material activo de grafito. Y propusieron un nuevo tipo de estructura de electrodos para la célula secundaria de estado sólido que consiste sólo en el material activo y el aglutinante. Los investigadores confirmaron la posibilidad de que incluso sin un aditivo de electrolito sólido dentro de los electrodos, el rendimiento de una célula secundaria de estado sólido podría ser superior.


La viabilidad teórica de la novedosa estructura propuesta por ETRI se verificó en DGIST mediante pruebas electroquímicas (utilizando un superordenador) de un modelo virtual. Los investigadores de ETRI lograron demostrar esta estructura en un experimento real. ETRI nombró a esta tecnología como "electrodo de estado sólido dependiente de la difusión" y presentó un documento a una revista internacional.


Si se adopta la tecnología de ETRI, el material aditivo de conducción sólida se volverá innecesario en el electrodo; en su lugar, el material más activo se puede apretar en el mismo volumen. En otras palabras, la cantidad de material activo en el electrodo puede aumentar hasta un 98wt%* y, como resultado, la densidad de energía* se puede hacer 1,5 veces mayor que el electrodo compuesto de grafito convencional.


La tecnología también ofrece ventajas en los aspectos de los procesos de fabricación. Los electrolitos sólidos de tipo sulfuro*, que tienen una alta conductividad iónica y plasticidad moderada, son considerados como un excelente candidato para la fabricación de baterías de estado sólido. Pero debido a su alta reactividad química*, los electrolitos sólidos de tipo sulfuro dejan a los desarrolladores de baterías con muy pocas opciones cuando se trata de disolventes y aglutinantes. Por el contrario, con el nuevo electrodo ETRI, los desarrolladores pueden seleccionar libremente el tipo de disolvente y aglutinante que se va a utilizar en la batería porque el electrodo no contiene electrolitos sólidos que sean altamente reactivos. Esto también permite a los investigadores buscar nuevos enfoques para mejorar el rendimiento de las células secundarias de estado sólido.


El Dr. Young-Gi Lee, quien participó en esta investigación, dijo: "Hemos revelado por primera vez que los iones se pueden difundir sólo con materiales activos. Ya no estamos vinculados a la estructura utilizada en las celdas secundarias de estado sólido existentes. Planeamos desarrollar células secundarias con incluso altas densidades de energía, utilizando esta tecnología. También aseguraremos nuestros derechos sobre la tecnología básica y trabajaremos en una versión que podría comercializarse".


Aunque ETRI llevó a cabo su investigación utilizando material activo de cátodo de grafito, tiene la intención de continuar su investigación basada en el mismo concepto, utilizando varios otros materiales de electrodos. También está planeando mejorar la tecnología con el fin de aumentar la eficiencia. Esto se puede lograr eliminando los problemas interfaciales entre los electrodos y adelgazando el volumen de los electrodos.