Una nueva técnica de fabricación permitirá que las baterías de iones de litio con electrolito sólido empleen materiales cerámicos no inflamables utilizando los mismos procesos de producción que se emplean en las baterías convencionales fabricadas con electrolitos líquidos. La tecnología de infiltración por fusión utiliza materiales electrolíticos que pueden embeberse en electrodos térmicamente estables y porosos y con una alta densidad. Potencialmente, este proceso de fabricación permitirá que los fabricantes produzcan baterías más ligeras, seguras y con mayor densidad de energía, hasta un 20% ahora y hasta un 100% en el futuro, con un coste de producción similar a las de las baterías de litio con electrolito líquido.

La nueva técnica, que se publicará en la revista Nature Materials, podría permitir que la próxima generación de baterías de iones de litio que se empleen en los vehículos eléctricos sean más seguras. Este objetivo se consigue gracias a utilizar un electrolito sólido 100% cerámico y no inflamable en lugar de electrolitos líquidos, empleando los mismos procesos de fabricación que actualmente dan lugar a baterías convencionales.

En los últimos años, las baterías de electrolito sólido se han convertido en una de las tecnologías que han sido objeto de una intensa investigación. El objetivo del nuevo laboratorio es adecuar la tecnología de las baterías de electrolito sólido para su aplicación real en vehículos eléctricos. Con ellas es posible alcanzar densidades de energía y potencia mucho más altas que las que se obtienen de baterías de iones de litio convencionales con electrolito líquido, con el beneficio adicional de ser mucho más seguras, ya que se evita todo riesgo de incendio.

La tecnología, pendiente de patente, imita la fabricación de bajo coste de celdas de iones de litio comerciales con electrolitos líquidos, pero en su lugar utiliza electrolitos de estado sólido con puntos de fusión bajos que se funden e infiltran en electrodos densos. Como resultado, las celdas multicapa de alta calidad de cualquier tamaño o forma podrían fabricarse rápidamente, a escala, utilizando las herramientas y los procesos probados. desarrollados y optimizados durante los últimos 30 años para las baterías de iones de litio.

El Dr Dr. Gleb Yushin sujeta una batería de electrolito sólido que promete aumentar la densidad de energía de las celdas en más del 20% ahora y en más del 100% en el futuro, a precios muy bajos.

Desarrollado por el equipo de investigadores del departamento de ciencia de materiales del Instituto de Tecnología de Georgia, el proceso, de un solo paso, produce compuestos de alta densidad basados ​​en la infiltración por capilaridad, sin presión, de un electrolito sólido fundido en el interior de un cuerpo poroso entre las pilas de separadores de electrodos de varias capas.

Si las baterías se sobrecalientan durante un período prolongado de tiempo comienzan a degradarse prematuramente aumentando el riesgo de incendio. Esta circunstancia impide que el transporte de iones entre los electrodos se realice de manera rápida, lo que conduce a una pérdida significativa de rendimiento. En la mayoría de los casos, el problema se encuentra en la interfaz entre el electrolito sólido y el material del electrodo y entre las partículas del propio electrolito. Este efecto ha llevado a casi todos los vehículos eléctricos a incluir sistemas de enfriamiento muy sofisticados y caros. Las baterías de estado sólido solo requieran calentadores sencillos, que son significativamente menos costosos que los sistemas de enfriamiento.

El punto de fusión de los electrolitos de estado sólido tradicionales oscila entre 700 y más de 1000 grados Celsius, por lo que es imposible trabajar con ellos a estas temperaturas. Sin embargo, según explica Gleb Yushin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Georgia, “operamos en un rango de temperatura mucho más bajo, dependiendo de la composición del electrolito, aproximadamente a 200 o 300 grados Celsius“. A estas temperaturas más bajas, la fabricación es mucho más rápida y sencilla ya que no se producen reacciones inesperadas, “los conjuntos de electrodos estándar, incluido el aglutinante de polímero o el pegamento, pueden ser estables en estas condiciones”.

Esta tecnología de infiltración por fusión desarrollada es compatible con una amplia gama de químicas de materiales, incluidos los denominados electrodos de tipo conversión. Se ha demostrado que estos materiales aumentan la densidad de energía de las celdas en más del 20% ahora y en más del 100% en el futuro asegura Kostiantyn Turcheniuk, coautor del estudio. Estas celdas de mayor densidad admiten mayores autonomías, pero necesitan electrodos de alta capacidad para lograr ese salto de rendimiento.

Arquitectura de una batería de iones litio, izquierda, y una batería de electrolito sólido, derecha. Fuente Toyota.

El desarrollo futuro de este proceso de fabricación

La técnica del Instituto de Tecnología de Georgia aún no está lista comercialmente. Yushin predice que si una parte significativa del futuro mercado de vehículos eléctricos adopta baterías de estado sólido, “probablemente este será el único camino a seguir”, ya que permitirá a los fabricantes utilizar su infraestructura actual, incluidas las instalaciones de producción existentes: “Nos enfocamos en este proyecto por ser una de las áreas de innovación comercialmente más viables para nuestro laboratorio”, añade Yushin.

Por primera vez, en 2020 el precio de las celdas de batería alcanzó los 100 dólares/kWh. Según Yushin, deberán caer por debajo de los 70 dólares/kWh para que el mercado de vehículos eléctricos pueda abrirse por completo. La innovación en baterías es fundamental para que eso ocurra. El equipo enfoca su trabajo en desarrollar otros electrolitos con puntos de fusión más bajos y conductividades más altas utilizando la misma técnica probada en el laboratorio, lo que abrirá las puertas a una mayor innovación en esta área.