Más gruesos, más densos, mejores: los nuevos electrodos pueden ser clave para las baterías avanzadas

Sinterización rápida asistida por campo eléctrico y presión para controlar la alineación del grafeno en electrodos compuestos gruesos para aumentar el rendimiento del almacenamiento de litio. Crédito: Hongtao Sun, Penn State. Reservados todos los derechos.

16 de agosto de 2023

Por Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pa. — La demanda de baterías de alto rendimiento, especialmente para uso en vehículos eléctricos, está aumentando a medida que el mundo cambia su consumo de energía hacia un sistema más eléctrico, reduciendo la dependencia de combustibles fósiles y priorizando los esfuerzos de remediación climática. Para mejorar el rendimiento y la producción de las baterías, los investigadores y colaboradores de Penn State han desarrollado un nuevo enfoque de fabricación que podría generar baterías más eficientes que mantengan los niveles de energía y potencia.

Según Hongtao Sun, el método mejorado para fabricar electrodos de batería puede conducir a baterías de alto rendimiento que permitirían vehículos eléctricos más eficientes energéticamente, así como beneficios tales como mejorar el almacenamiento de la red eléctrica. Sun es profesor asistente de ingeniería industrial y de fabricación en Penn State y coautor correspondiente del estudio, que se publicó y apareció en la portada de Carbon.

"Con las baterías actuales, queremos que nos permitan conducir un automóvil por distancias más largas, y queremos cargar el automóvil en unos cinco o diez minutos, comparable al tiempo que lleva llenar el tanque de gasolina", dijo Sun. "En nuestro trabajo, consideramos cómo podemos lograr esto haciendo que los electrodos y las celdas de la batería sean más compactos, con un mayor porcentaje de componentes activos y un menor porcentaje de componentes pasivos".

Si un fabricante de automóviles eléctricos quiere mejorar la distancia de conducción de sus vehículos, añade más celdas de batería, que se cuentan por miles. Cuanto más pequeño y ligero, mejor, según Sun.

"La solución para distancias de conducción más largas para un vehículo eléctrico es simplemente agregar baterías compactas, pero con electrodos más densos y gruesos", dijo Sun, explicando que dichos electrodos podrían conectar y alimentar mejor los componentes de la batería, haciéndolos más activos. "Aunque esto "Este enfoque puede reducir ligeramente el rendimiento de la batería por peso de electrodo, mejora significativamente el rendimiento general del vehículo al reducir el peso del paquete de batería y la energía necesaria para mover el vehículo eléctrico".

Electrodos más eficientes (una especie de puerta de entrada para la electricidad en una batería) podrían ayudar a lograr una batería con un mayor porcentaje de componentes activos.

"Si piensas en los componentes centrales dentro de una batería, sólo el electrodo contribuye al rendimiento de la batería", dijo Sun. "Las otras partes como el embalaje, el separador, el colector de corriente, etc., son todos componentes pasivos que añaden peso y no "No contribuye en absoluto al rendimiento de la batería. Si queremos mejorar el rendimiento de la batería, necesitamos trabajar en los materiales de los electrodos de la batería y maximizar su porcentaje de peso en una celda de la batería".

"Con las baterías actuales, queremos que nos permitan conducir un automóvil por distancias más largas, y queremos cargar el automóvil en unos cinco o diez minutos, comparable al tiempo que lleva llenar el depósito de gasolina".

Hongtao Sun, profesor asistente de ingeniería industrial y de fabricación en Penn State

Los intentos anteriores de mejorar el rendimiento de la batería mediante mejores electrodos se centraron en una sola métrica, lo que no fue tan efectivo porque la batería luego tuvo un desempeño deficiente en otras métricas de compensación. Por ejemplo, cuando una batería prioriza un alto rendimiento gravimétrico (la cantidad de energía que puede almacenar en relación con su peso), puede resultar en un rendimiento métrico de área reducido (cuánta carga puede almacenar por unidad de área) y/o un rendimiento volumétrico disminuido ( la cantidad de carga entregada en relación con el tamaño de la batería).

Normalmente, las baterías constan de electrodos de película delgada de ánodo y cátodo colocados entre dos láminas conductoras de corriente y separados por separadores aislantes. Aumentar el grosor de estos electrodos podría mejorar la capacidad y la densidad de almacenamiento de energía al proporcionar más espacio para almacenar y liberar energía. Un electrodo más grueso puede almacenar más cargas y, por lo tanto, al igual que un tanque más grande puede contener más agua, puede contener más energía. Sin embargo, también tienen un transporte de carga deficiente, lo que degrada su rendimiento general.

Sun y su equipo de investigación se centraron en fabricar electrodos más gruesos con vías de transporte de carga optimizadas, con el objetivo de permitir un alto rendimiento en las tres métricas: areal, volumétrica y gravimétrica.

Para superar el desafío de que un electrodo más grueso tenga una cinética de transporte de carga deficiente, los investigadores desarrollaron un método para aplicar Spark Plasma Sintering (SPS) a los electrodos. SPS es una técnica energéticamente eficiente que utiliza calor y presión para compactar y densificar materiales en un objeto sólido, como un electrodo.

"SPS nos permitió fabricar un electrodo muy grueso y denso", dijo Sun. “El espesor típico del electrodo de la batería es sólo de 50 a 100 micrones, pero ahora, en este trabajo, estamos hablando de 300 a 500 micrones. Esto es cinco veces mayor que la proporción de masa del electrodo en un dispositivo de batería real”.

Esta técnica logra redes de carbono y canales de poros alineados verticalmente en los electrodos, lo que permite cátodos con alta densidad de electrodos para un alto rendimiento volumétrico y una alta carga de masa (cantidad de material activo presente) para un alto rendimiento métrico de área, al tiempo que demuestra transportes de carga rápidos.

"Si queremos mejorar el rendimiento de la batería, debemos trabajar en los materiales de los electrodos de la batería y maximizar su porcentaje de peso en una celda de batería".

Hongtao Sun, profesor asistente de ingeniería industrial y de fabricación en Penn State

El uso de electrodos más gruesos recientemente diseñados por los investigadores con capacidad de transporte de carga rápida aumentaría el porcentaje de componentes activos y mejoraría la capacidad de energía normalizada por el peso total del paquete de batería, dijo Sun. También hacen que las baterías sean compactas debido a la alta densidad de los electrodos, lo que permite empaquetar más materiales activos de electrodos en el mismo espacio.

Según Sun, los próximos pasos de la investigación incluyen desarrollar un proceso para fabricar estos electrodos de manera escalable e investigar otras estrategias para disminuir la proporción del peso de la batería y permitir más espacio para la batería en el vehículo.

"Estamos investigando cómo desarrollar baterías estructurales y cómo integrarlas en la estructura del vehículo", dijo Sun. "Por ejemplo, podríamos integrar la batería en el techo del coche eléctrico, convirtiéndola en parte de la estructura". "En ese caso, podemos reducir drásticamente el peso del vehículo, ya que combinamos función y estructura".

Junto con Sun, otros autores del estudio incluyen a Bo Nie, Haoqing Yang, Linrui Duan y Juchen Zhang del Departamento de Ingeniería Industrial y de Fabricación Harold e Inge Marcus de Penn State; y Mingxin Li, Tiankai Yao, Guoqing Xin y Jie Lian del Instituto Politécnico Rensselaer. La Fundación Nacional de Ciencias y los fondos iniciales de Penn State apoyaron parcialmente la investigación.

Jamie Oberdick

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