Método simple para láminas de electrolitos flexibles a base de cerámica para baterías de metal de litio

Tokio, Japón – Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han desarrollado un nuevo método para fabricar láminas de electrolitos flexibles a base de cerámica para baterías de metal de litio. Combinaron una cerámica de tipo granate, un aglutinante polimérico y un líquido iónico, produciendo un electrolito en lámina de estado casi sólido. La síntesis se lleva a cabo a temperatura ambiente, lo que requiere significativamente menos energía que los procesos existentes de alta temperatura (> 1000 ° C). Funciona en un amplio rango de temperaturas, lo que lo convierte en un electrolito prometedor para baterías, p. vehículos eléctricos.

Los combustibles fósiles representan la mayoría de las necesidades energéticas del mundo, incluida la electricidad que utilizamos. Pero los combustibles fósiles se están agotando, y quemarlos también conduce a la emisión directa de dióxido de carbono y otros contaminantes como los óxidos de nitrógeno tóxicos a la atmósfera. Existe una demanda global para cambiar a fuentes de energía renovables más limpias. Pero las principales fuentes de energía renovable, como la energía eólica y solar, a menudo son intermitentes: el viento no sopla todo el tiempo y el sol no brilla por la noche. Por lo tanto, se requieren sistemas avanzados de almacenamiento de energía para utilizar fuentes renovables e intermitentes de manera más efectiva. Las baterías de iones de litio han tenido un profundo impacto en la sociedad moderna, alimentando una amplia gama de dispositivos electrónicos y dispositivos portátiles como aspiradoras inalámbricas desde su comercialización por Sony en 1991. Pero el uso de estas baterías en vehículos eléctricos (EV) aún requiere una mejora sustancial en el capacidad y seguridad de la tecnología de iones de litio de última generación.

Esto ha llevado a un renacimiento del interés de investigación en litio. metal baterías: los ánodos de metal de litio tienen una capacidad teórica mucho más alta que los ánodos de grafito en uso comercial ahora. Todavía hay obstáculos tecnológicos asociados con los ánodos de metal de litio. En baterías de base líquida, por ejemplo, litio dendritas (o brazos) pueden crecer, lo que podría provocar un cortocircuito en la batería e incluso provocar incendios y explosiones. Ahí es donde han entrado los electrolitos inorgánicos de estado sólido: son significativamente más seguros y un Li de cerámica de tipo granate (tipo de estructura)7 7La3Zr2O12, más conocido como LLZO, ahora es ampliamente considerado como un prometedor material electrolítico de estado sólido por su alta conductividad iónica y compatibilidad con el metal Li. Sin embargo, la producción de electrolitos LLZO de alta densidad requiere temperaturas de sinterización muy altas, hasta 1200 ° C. Esto es ineficiente y consume mucho tiempo, lo que dificulta la producción a gran escala de electrolitos LLZO. Además, el mal contacto físico entre los electrolitos LLZO frágiles y los materiales de los electrodos generalmente da como resultado una alta resistencia interfacial, lo que limita en gran medida su aplicación en baterías de Li-metal de estado sólido.

Por lo tanto, un equipo dirigido por el profesor Kiyoshi Kanamura de la Universidad Metropolitana de Tokio se propuso desarrollar un electrolito de lámina de LLZO compuesto flexible que puede fabricarse a temperatura ambiente. Arrojan una suspensión de cerámica LLZO sobre un sustrato de polímero delgado, como untar mantequilla sobre tostadas. Después de secar en un horno de vacío, el electrolito en lámina de 75 micras de espesor se sumergió en un líquido iónico (IL) para mejorar su conductividad iónica. Las IL son sales que son líquidas a temperatura ambiente, se sabe que son altamente conductoras y casi no inflamables y no volátiles. Dentro de las hojas, el IL llenó con éxito los espacios microscópicos en la estructura y unió las partículas de LLZO, formando una vía eficiente para los iones de litio. También redujeron efectivamente la resistencia interfacial en el cátodo. En una investigación adicional, descubrieron que los iones de litio se difundían a través de las partículas IL y LLZO en la estructura, destacando el papel desempeñado por ambos. La síntesis es simple y adecuada para la producción industrial: todo el proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente sin necesidad de sinterizar a alta temperatura.

Aunque los desafíos persisten, el equipo dice que la robustez mecánica y la operabilidad de la lámina compuesta flexible a una amplia gama de temperaturas lo convierten en un electrolito prometedor para las baterías de Li-metal. La simplicidad de este nuevo método de síntesis puede significar que veremos baterías de litio metálico de alta capacidad en el mercado antes de lo que pensamos.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa Avanzado de Investigación y Desarrollo de Tecnología Baja en Carbono de Investigación Especialmente Promocionada para Baterías Innovadoras de Próxima Generación (ALCA-SPRING) (Beca No. JPMJAL1301) de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST).

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