Estructura 3D promete baterías de litio más seguras y duraderas para vehículos eléctricos

Según el Consejo Internacional sobre Transporte Limpio, a principios de 2024, había aproximadamente 40 millones de vehículos eléctricos (EVs) en operación en todo el mundo. Entre ellos, se registraron más de 500 incendios relacionados con baterías en vehículos ligeros entre 2010 y mediados de 2023, lo que corresponde a un riesgo de incendio de aproximadamente 1 en 100,000 vehículos.

Aunque esta tasa es considerablemente más baja que la de los vehículos de motor de combustión interna, los incendios en baterías de EV siguen siendo una gran preocupación, ya que una vez que se produce un descontrol térmico y se inicia un incendio, pueden ser extremadamente difíciles de extinguir y pueden reavivarse.

Un equipo de investigación de POSTECH (el profesor Soojin Park, el Dr. Dong-Yeob Han, Gayoung Lee) y de la Universidad Chung-Ang (el profesor Janghyuk Moon, Seongsoo Park) desarrolló una novedosa estructura porosa tridimensional que mejora significativamente tanto la vida útil como la seguridad de las baterías de litio-metal (LMBs). Su trabajo fue publicado en Advanced Materials.

Las baterías de litio-metal prometen una densidad de energía mucho mayor que las baterías de iones de litio actuales y podrían extender drásticamente el rango de conducción de los EVs. Sin embargo, la principal barrera para su comercialización ha sido la tendencia del litio metálico a depositarse de manera desigual durante la carga y descarga, formando "dendritas" en forma de aguja que pueden perforar separadores y causar cortocircuitos internos o incluso explosiones.

La solución del equipo es simple pero efectiva: diseñaron una estructura de soporte porosa con canales rectos y de baja tortuosidad, y un gradiente de litiophilicity incorporado que permite un depósito uniforme de litio de abajo hacia arriba. Se puede pensar en esto como un garaje de estacionamiento: si la entrada es estrecha y los carriles son sinuosos, los autos tienden a agruparse en la entrada. Pero si se construyen rampas anchas y rectas y se hacen los pisos inferiores más espaciosos, los vehículos naturalmente llenan primero los pisos inferiores. Su diseño de electrodos aplica este principio a los iones de litio en la batería.

Utilizando un proceso de separación de fase inducida por un no disolvente (NIPS), crearon el soporte poroso mezclando una matriz de polímero con nanotubos de carbono (CNTs) y nanopartículas de plata (Ag) para mejorar la conductividad eléctrica, mientras introducían una capa de Ag sobre un sustrato de cobre para inducir la nucleación de litio en la base. Como resultado, se logró un depósito de litio de abajo hacia arriba con un crecimiento de dendritas completamente suprimido y una estabilidad estructural enormemente mejorada.

En pruebas, las baterías construidas con este soporte lograron una densidad de energía de 398.1 Wh/kg y 1,516.8 Wh/L, superando con creces las baterías de iones de litio típicas (~250 Wh/kg, ~650 Wh/L). Incluso bajo condiciones de nivel comercial con bajo contenido de electrolito, un ánodo de litio delgado y cátodos del mundo real como NCM811 y LFP, demostraron una estabilidad excepcional sin cortocircuitos ni colapsos de capacidad. Si se aplican a los EVs, esta mejora podría extender potencialmente el rango de conducción en aproximadamente un 60-70% (por ejemplo, un vehículo que actualmente viaja ~400 km por carga podría alcanzar ~650-700 km).

El profesor Park afirmó: "Esta investigación presenta una nueva forma de controlar simultáneamente las vías de transporte de iones y el comportamiento de crecimiento del litio dentro de los electrodos, sin depender de procesos de fabricación complejos. Diseñar tanto el 'camino' como la 'dirección' del movimiento del litio será un punto de inflexión en el avance hacia la comercialización de baterías de litio-metal seguras y de alta energía".

El profesor Moon agregó: "Nuestro proceso permite el control simultáneo de la microestructura y los gradientes químicos a través de una ruta de fabricación simple, lo que lo hace altamente escalable para la producción industrial".

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