Cuando nos enfrentamos a los numerosos desafíos de la vida, a menudo elegimos enfoques complejos para encontrar soluciones. Sin embargo, tras un examen más detenido, las respuestas suelen ser más simples de lo que esperamos y están arraigadas en la «esencia» central de la pregunta. Este enfoque fue demostrado por un grupo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) en su publicación sobre la solución de los problemas inherentes a las baterías de estado sólido.

El Profesor Byoungwoo Kang del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de POSTECH y el Dr. Un equipo dirigido por Abin Kim (actualmente en LG Energy Solution) desarrolló recientemente un electrolito sólido con propiedades únicas. Esta innovación proporciona una plataforma de batería de estado sólido de metal litio ultradelgada con alta estabilidad y densidad de energía. Sus hallazgos fueron publicados Cartas de Energía ACS.

Las baterías de estado sólido, que utilizan electrolitos sólidos en lugar de líquidos para mejorar la densidad de energía y la seguridad, se consideran la próxima generación de baterías y a menudo se las llama «baterías de ensueño». Entre ellos, el electrolito sólido de óxido tipo granate (Li7La3Zr2O12 o LLZO) tiene una alta conductividad iónica. Sin embargo, LLZO es altamente reactivo y forma una capa de contaminación (Li2CO3) en su superficie cuando se expone al aire. Esta capa actúa como una barrera resistiva en el diseño de la celda, reduciendo el contacto y las propiedades interfaciales del electrolito y los reactivos, especialmente con el ánodo de metal de litio (Li).

Actualmente se están investigando diferentes enfoques para resolver estos problemas, como recubrir la superficie de LLZO o utilizar procesos de tratamiento químico o térmico adicionales después de la síntesis. Aunque estos métodos mejoran la situación, no resuelven completamente el problema, porque el LLZO vuelve a quedar expuesto a la atmósfera, provocando la transformación de la capa contaminante.

El equipo de investigación se centró en el «LLZO» en sí en lugar de desarrollar un recubrimiento eficaz o procesos adicionales. Centrándose en lo esencial, crearon una tecnología LLZO (AH-LLZO) curable con aire que mejora simultáneamente la superficie y las propiedades internas de LLZO al prevenir la formación de capas de contaminación en primer lugar.

Los experimentos demostraron que el electrolito sólido de tipo granate desarrollado inhibe la formación de una capa contaminante al crear un nuevo compuesto hidrofóbico (Li-Al-O) tanto en la superficie como en el interior del material. Como resultado, incluso si se forma una capa de contaminación, ésta apenas reacciona con la humedad del aire, evitando efectivamente su propagación al interior. Este progreso mejoró el contacto (y la humectabilidad) con el litio metálico, lo que permitió al equipo desarrollar baterías de litio de estado sólido ultrafinas (~3,43 μm) que tienen aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano.

La importancia de esta investigación es la capacidad de preparar capas ultrafinas de litio metálico, lo que da como resultado relaciones de capacitancia ánodo-cátodo muy bajas de ~0,176 en baterías de estado sólido, utilizando un proceso de humectación simple sin pasos complejos de postratamiento. Esta innovación permite reducir significativamente la cantidad de litio metálico utilizada, reduciendo así el peso y el volumen total de la batería y mejorando significativamente la densidad de energía. Además, la tecnología permite el almacenamiento en aire sin manipulación ni equipo especial, lo que simplifica el proceso y mejora la practicidad de los electrolitos sólidos de tipo granate.

El profesor Byoungwoo Kang señaló: «Hemos resuelto el problema de la capa de contaminación inherente de LLZO sin necesidad de un paso de posprocesamiento». Y añadió: «Continuaremos trabajando en baterías ultrafinas de estado sólido de metal litio que puedan lograr una alta seguridad y una alta densidad de energía».

La investigación contó con el apoyo del Programa de Laboratorio de Investigación Básica de la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el Proyecto de Desarrollo de Baterías Cerámicas Multicapa (MLCB) del Ministerio de Comercio, Industria y Energía.



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