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(noticias nanowerk) ¿Qué hace que una batería sea buena? ¿Es por la capacidad? ¿Qué tan rápido se carga? ¿O su precio? La respuesta depende de dónde se utilice la batería, dice el investigador de Empa Kostiantyn Kravchyk. En el Grupo de Materiales Inorgánicos Funcionales, dirigido por Maksym Kovalenko y parte del Laboratorio Empa de Películas Delgadas y Fotovoltaica, el científico está desarrollando nuevos materiales para hacer que las baterías del mañana sean más potentes y rápidas, o más rentables.
Dos áreas de aplicación de las baterías recargables son cruciales para la transición a las energías renovables. Uno de ellos es la electromovilidad; Por otro lado, existen los llamados sistemas de almacenamiento estacionarios, que almacenan electricidad procedente de fuentes de energía renovables como la eólica y la solar. Las baterías para coches eléctricos deben ser compactas y ligeras, tener gran capacidad y cargarse lo más rápido posible. Las baterías estacionarias ocupan más espacio, pero sólo son rentables si son lo más baratas posible.
No es una tarea fácil
Básicamente, cada batería consta de un cátodo, un ánodo y un electrolito. En las baterías de iones de litio convencionales, el ánodo está hecho de grafito y el material del cátodo es un óxido mixto de litio y otros metales, como el óxido de litio y cobalto (III). Los electrolitos sirven como transportadores de iones de litio desde el cátodo al ánodo y viceversa, dependiendo de si la celda se está cargando o descargando.
Las baterías para la electromovilidad requieren una alta densidad energética. «Con un ánodo hecho de litio metálico puro en lugar de grafito, podríamos almacenar muchas veces más energía en una celda del mismo tamaño», afirma Kravchyk. Sin embargo, el litio no se libera ni se deposita de manera uniforme durante la carga y descarga de la celda. Esto conduce a la formación de las llamadas dendritas: estructuras ramificadas de litio metálico que pueden provocar un cortocircuito en la batería.
Una forma de frenar el crecimiento de las dendritas es utilizar electrolitos sólidos. En las baterías llamadas de estado sólido, en lugar de un líquido, una capa sólida de material conduce los iones de litio desde el cátodo al ánodo y viceversa.
Los requisitos para el material electrolítico son elevados. «Hablamos de cargar las baterías en diez o quince minutos», explica Kravchyk. «Esto requiere una densidad de corriente muy alta, con la que también se forman dendritas en las baterías de estado sólido». La densidad de corriente es la relación entre la corriente y la superficie por la que fluye. Otro problema es que el desprendimiento y deposición desigual del litio crea vacíos en el límite entre el electrodo y el electrolito sólido, lo que reduce el área de contacto disponible y aumenta aún más la densidad de corriente.
Un material, dos capas
Como parte del programa de financiación ICON (Cooperación Internacional y Redes) de Fraunhofer, Kravchyk y otros investigadores de Empa han desarrollado un electrolito sólido prometedor. El material litio, lantano, óxido de circonio, abreviado LLZO, tiene una alta conductividad iónica y estabilidad química, propiedades ideales para su uso en baterías.
«Hicimos una membrana LLZO de dos capas, que consta de una capa densa y otra porosa», dice Kravchyk. Si se almacena litio en los poros, se crea una zona de contacto muy grande entre el litio y el electrolito y la densidad de corriente permanece baja. La capa densa garantiza que no crezcan dendritas hacia el otro electrodo y puedan provocar un cortocircuito. Los investigadores también pensaron en la rentabilidad: desarrollaron un proceso sencillo, rentable y escalable para producir membranas de doble capa.
Hierro económico en lugar de cobalto caro
Los investigadores adoptaron un enfoque completamente diferente en un proyecto de almacenamiento estacionario de energía renovable. «La métrica más importante para el almacenamiento estacionario es el precio», explica Kravchyk. Las baterías de iones de litio que se utilizan hoy en día para el almacenamiento estacionario son comparativamente caras. “Por eso la mayoría de las necesidades de almacenamiento estacionario todavía se cubren con centrales eléctricas de almacenamiento por bombeo, aunque tengan una densidad de energía muy baja en comparación con las baterías”, continuó el investigador.
Uno de los mayores factores de coste de las baterías estacionarias de iones de litio son los materiales con los que están fabricadas. Además del litio, para el cátodo también se necesitan cobalto y níquel. La búsqueda de mejores materiales para los cátodos llevó rápidamente a los investigadores a uno de los elementos más comunes en la corteza terrestre: el hierro.
Para el cátodo, los investigadores combinaron este económico metal con fluoruro en forma de hidroxifluoruro de hierro (III). «Los métodos anteriores para producir una batería basada en fluoruros de hierro se basaban en la conversión química», explica Kravchyk. Los iones de hierro se convierten en hierro metálico. “Este proceso no es muy estable”, señala el investigador. «Lo ideal es que los iones simplemente migren de un polo al otro sin sufrir ninguna transformación estructural importante».
Un desafío para los investigadores porque los fluoruros tienen una mala conductividad, tanto para los electrones como para los iones de litio. Pero el equipo de Kravchyk tiene la solución: mediante un proceso simple y rentable, dieron a su hidroxifluoruro de hierro (III) una estructura cristalina especial. Esta estructura llamada pirocloro contiene canales en su interior que conducen iones de litio.
«Pudimos lograr un rendimiento comparable con nuestra batería a un precio mucho más bajo», afirma Kravchyk. «Estamos completamente sorprendidos de que hasta ahora casi nadie haya trabajado en la síntesis rentable de este prometedor material».
literatura
H Zhang, R Dubey, M Inniger, F Okur, R Wullich, A Parrilli, DT Karabay, A Neels, KV Kravchyk, MV Kovalenko; Membranas LLZO autónomas y sinterizadas ultrarrápidas para baterías de granate de litio de estado sólido de alta densidad de energía; Informes Celulares Ciencias Físicas (2023); doi: 10.1016/j.xcrp.2023.101473
JF Baumgärtner, M Wörle, CP Guntlin, F Krumeich, S Siegrist, V Vogt, DC Stoian, D Chernyshov, W van Beek, KV Kravchyk, MV Kovalenko; Hidroxifluoruros de hierro de tipo pirocloro como materiales catódicos de iones de litio de bajo costo para el almacenamiento estacionario de energía; Materiales avanzados (2023); doi: 10.1002/adma.202304158
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