Las baterías recargables de iones de litio alimentan teléfonos, computadoras portátiles, otros dispositivos electrónicos personales y automóviles eléctricos, e incluso se utilizan para almacenar energía generada por paneles solares. Sin embargo, si la temperatura de estas baterías sube demasiado, dejan de funcionar y pueden incendiarse.

Eso se debe en parte a que el electrolito que contiene, que transporta iones de litio entre los dos electrodos cuando la batería se carga y descarga, es inflamable.

«Uno de los mayores desafíos en la industria de las baterías es este problema de seguridad, por lo que se está poniendo mucho esfuerzo en hacer un electrolito de batería seguro», dijo Rachel Z Huang, estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford y primera autora de un informe publicado en noviembre. 30 en asunto.

Huang, junto con otros 19 investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford, desarrollaron un electrolito no inflamable para baterías de iones de litio. Su trabajo demostró que las baterías que contienen este electrolito continúan funcionando a altas temperaturas sin encenderse.

¿Tu secreto? Más sal.

SEGURIDAD salada

Los electrolitos de las baterías de iones de litio tradicionales consisten en una sal de litio disuelta en un solvente orgánico líquido como éter o carbonato. Si bien este solvente mejora el rendimiento de la batería al ayudar a mover los iones de litio, también es un incendiario potencial.

Las baterías generan calor durante el funcionamiento. Y cuando una batería tiene agujeros o defectos, se calienta rápidamente. A temperaturas superiores a 140 grados F, las pequeñas moléculas de solvente en el electrolito comienzan a vaporizarse, pasando de líquido a gas e inflando una batería como un globo, hasta que el gas se incendia y todo estalla en llamas.

Durante los últimos 30 años, los investigadores han desarrollado electrolitos no inflamables, como electrolitos poliméricos que utilizan una matriz polimérica para mover iones en lugar de la solución clásica de sal y solvente. Sin embargo, estas alternativas más seguras no mueven los iones tan eficientemente como los solventes líquidos, por lo que su rendimiento no puede igualar al de los electrolitos tradicionales.

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Rachel Huang trabaja en el laboratorio. (Jian-Cheng Lai/Universidad de Stanford)

El equipo quería crear un electrolito a base de polímeros que ofreciera tanto seguridad como rendimiento. Y Huang tuvo una idea.

Decidió agregar la mayor cantidad posible de una sal de litio llamada LiFSI a un electrolito a base de polímeros diseñado y sintetizado por Jian-Cheng Lai, investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford y coautor del artículo.

«Solo quería ver cuánto puedo agregar y probar el límite», dijo Huang. Normalmente, menos del 50 % en peso de un electrolito basado en polímero es sal. Huang aumentó ese número al 63%, creando uno de los electrolitos a base de polímeros más salados de la historia.

A diferencia de otros electrolitos a base de polímeros, este también contenía moléculas de solventes inflamables. Sin embargo, se demostró que el electrolito total, conocido como electrolito no inflamable anclado con solvente (SAFE), no es inflamable a altas temperaturas cuando se probó en una batería de iones de litio.

SAFE funciona porque los solventes y la sal trabajan juntos. Las moléculas de disolvente ayudan a conducir los iones, lo que da como resultado un rendimiento comparable al de las baterías que contienen electrolitos tradicionales. Pero en lugar de fallar a altas temperaturas como lo hacen la mayoría de las baterías de iones de litio, las baterías que contienen SAFE continúan funcionando a temperaturas entre 77 y 212 grados F.

Al mismo tiempo, las sales generosamente añadidas actúan como anclas para las moléculas del disolvente, evitando que se evaporen y se incendien.

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Los materiales de batería estándar (izquierda) se incendian cuando se exponen a las llamas, pero un nuevo material desarrollado por investigadores de SLAC y Stanford (derecha) no lo hace. (Jian-Cheng Lai/Universidad de Stanford)

«Este nuevo hallazgo apunta a una nueva forma de pensar para el diseño de electrolitos basados ​​en polímeros», dijo Zhenan Bao, profesor de la Universidad de Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES), que asesora a Huang. “Este electrolito es importante para el desarrollo de futuras baterías con alta densidad de energía y seguridad”.

mantente pegajoso

Los electrolitos a base de polímeros pueden ser sólidos o líquidos. Es importante destacar que los solventes y la sal en SAFE plastifican su matriz de polímero para convertirlo en un líquido pegajoso, al igual que los electrolitos tradicionales.

Un beneficio: un electrolito pegajoso encaja en los paquetes de baterías de iones de litio disponibles comercialmente, a diferencia de otros electrolitos no inflamables que han aparecido. Los electrolitos cerámicos de estado sólido, por ejemplo, deben usar electrodos especialmente diseñados, lo que los hace costosos de fabricar.

«Con SAFE, no hay necesidad de cambiar las instalaciones de fabricación», dijo Huang. «Por supuesto, si alguna vez se usa para la producción, se necesitarán ajustes para que el electrolito encaje en la línea de producción, pero la mano de obra involucrada es mucho menor que cualquier otro sistema».

Yi Cui, profesor de SLAC y Stanford e investigador de SIMES que también asesora a Huang, dijo: «Este nuevo electrolito de batería muy emocionante es compatible con la tecnología de celda de batería de iones de litio existente y tendría importantes implicaciones para la electrónica de consumo y el transporte eléctrico. ”

Una aplicación de SAFE podría ser en autos eléctricos.

Si las múltiples baterías de iones de litio en un automóvil eléctrico están demasiado juntas, pueden calentarse entre sí, lo que eventualmente puede provocar un sobrecalentamiento y un incendio. Sin embargo, si un automóvil eléctrico contiene baterías llenas de un electrolito que es estable a altas temperaturas, como SAFE, sus baterías se pueden empaquetar juntas sin temor a que se sobrecalienten.

Además de reducir el riesgo de incendio, esto significa que se necesita menos espacio para los sistemas de refrigeración y más espacio para las baterías. Más baterías aumentan la densidad de energía general, lo que significa que el automóvil tarda más entre cargas.

«Así que no es solo un beneficio de seguridad», dijo Huang. «Este electrolito también podría permitirle empacar muchas más baterías».

El tiempo dirá qué otros productos alimentados por batería podrían ser un poco más SEGUROS.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE en el marco del Programa de Investigación de Materiales para Baterías y el Consorcio Battery 500.

Cita: Huang et al., Asunto, 30 de noviembre de 2022 (10.1016/j.matt.2022.11.003)

Comuníquese con la Oficina de Comunicaciones de SLAC en communications@slac.stanford.edu si tiene preguntas o comentarios.

Por Chris Patrick, cortesía del SLAC National Accelerator Laboratory, operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

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