El equipo de Berkeley Lab y FSU diseña baterías de última generación a nivel atómico

Un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y Florida State University ha diseñado un nuevo modelo para baterías de estado sólido que dependen menos de elementos químicos específicos, en particular metales críticos que son difíciles de obtener debido a problemas en la cadena de suministro. Su trabajo, publicado recientemente en la revista Ciencia:, podría avanzar en baterías de estado sólido que sean eficientes y asequibles.

Promocionadas por su alta densidad de energía y seguridad superior, las baterías de estado sólido podrían cambiar las reglas del juego para la industria de los automóviles eléctricos. Pero desarrollar uno que sea asequible y que también sea lo suficientemente conductivo para hacer funcionar un automóvil durante cientos de millas con una sola carga ha sido durante mucho tiempo un obstáculo difícil de superar.

“Con nuestro nuevo enfoque de las baterías de estado sólido, no tiene que renunciar a la asequibilidad por el rendimiento”. — Yan Zeng, científico del personal de Berkeley Lab, División de Ciencias de los Materiales

"Nuestro trabajo es el primero en resolver este problema al diseñar un electrolito sólido no solo con un metal, sino con un equipo de metales asequibles", dijo el coautor Yan Zeng, científico del personal de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab.

En una batería de iones de litio, el electrolito funciona como un centro de transferencia donde los iones de litio se mueven con carga eléctrica para alimentar un dispositivo o recargar la batería.

Al igual que otras baterías, las baterías de estado sólido almacenan energía y luego la liberan para alimentar dispositivos. Pero en lugar de los electrolitos líquidos o de gel de polímero que se encuentran en las baterías de iones de litio, utilizan un electrolito sólido.

El gobierno, la investigación y el mundo académico han invertido mucho en la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido porque los electrolitos líquidos diseñados para muchas baterías comerciales son más propensos al sobrecalentamiento, el fuego y la pérdida de carga.

Sin embargo, muchas de las baterías de estado sólido construidas hasta ahora se basan en tipos específicos de metales que son costosos y no están disponibles en grandes cantidades. Algunos no se encuentran en absoluto en los Estados Unidos.

Para el estudio actual, Zeng, junto con Bin Ouyang, profesor asistente de química y bioquímica en la Universidad Estatal de Florida, y el autor principal Cedro Gerbrand, un científico senior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley, demostró un nuevo tipo de electrolito sólido que consiste en una mezcla de varios elementos metálicos. Zeng y Ouyang desarrollaron por primera vez la idea de este trabajo mientras terminaban su investigación posdoctoral en Berkeley Lab y UC Berkeley bajo la supervisión de Ceder.

Los nuevos materiales podrían dar como resultado un electrolito sólido más conductivo que depende menos de una gran cantidad de un elemento individual.

En experimentos en Berkeley Lab y UC Berkeley, los investigadores demostraron el nuevo electrolito sólido al sintetizar y probar varios materiales de iones de litio y de sodio con múltiples metales mixtos.

Observaron que los nuevos materiales multimetálicos funcionaron mejor de lo esperado, mostrando una conductividad iónica varios órdenes de magnitud más rápida que los materiales de un solo metal. La conductividad iónica es una medida de qué tan rápido se mueven los iones de litio para conducir la carga eléctrica.

Los investigadores teorizan que mezclar muchos tipos diferentes de metales crea nuevas vías, muy parecidas a la adición de autopistas en una carretera congestionada, a través de las cuales los iones de litio pueden moverse rápidamente a través del electrolito. Sin estas vías, el movimiento de los iones de litio sería lento y limitado cuando viajan a través del electrolito de un extremo a otro de la batería, explicó Zeng.

Para validar los candidatos para el diseño multimetal, los investigadores realizaron cálculos teóricos avanzados basados ​​en un método llamado teoría funcional de la densidad en supercomputadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC). Usando microscopios electrónicos de transmisión de barrido (STEM) en el Fundición molecular, los investigadores confirmaron que cada electrolito está hecho de un solo tipo de material, lo que los científicos llaman una "fase única", con distorsiones inusuales que dan lugar a las nuevas vías de transporte de iones en su estructura cristalina.

El descubrimiento abre nuevas oportunidades para diseñar conductores iónicos de última generación. El próximo paso en esta investigación es aplicar el nuevo enfoque que Zeng ha desarrollado con Ceder en Berkeley Lab para explorar más y descubrir nuevos materiales de electrolitos sólidos que pueden mejorar aún más el rendimiento de la batería.

Este trabajo representa una de las muchas formas en que los expertos del Centro de almacenamiento de energía Berkeley Lab están trabajando para permitir la transición de la nación hacia un futuro energético limpio, asequible y resistente.

El año pasado, Ouyang ganó un Premio NERSC a los logros en computación de alto rendimiento por "avanzar en la comprensión del orden químico de corto alcance para diseñar una nueva generación de materiales de cátodo comercializados". El premio reconoce a los científicos principiantes que han realizado contribuciones significativas a la computación científica utilizando los recursos de NERSC.

Otros científicos que contribuyen a este trabajo son Young-Woon Byeon y Zijian Cai del Laboratorio de Berkeley, Jue Liu del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y Lincoln Miara y Yan Wang del Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung.

Molecular Foundry y NERSC son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE.

Cortesía Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.

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• Fuente: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/