El equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) se basó en sus estudios anteriores para este proyecto de investigación más reciente, cuyos resultados ahora se publican. Cartas de ACS VitalityEl aglutinante polimérico utilizado anteriormente se ha optimizado para su uso con electrolitos de estado sólido de sulfuro. El estudio tenía como objetivo determinar el mejor espesor de película posible para optimizar tanto la conducción iónica como la resistencia estructural.
Los electrolitos de estado sólido actuales utilizan un polímero plástico que conduce iones, pero su conductividad es mucho menor que la de los electrolitos líquidos. Por este motivo, a veces se añaden electrolitos líquidos a los electrolitos de polímero para mejorar la conductividad, lo que se conoce como electrolitos semisólidos o celdas de estado semisólido. ORNL se centra en la tecnología de estado sólido para aprovechar todo el potencial de las celdas de estado sólido, por ejemplo en términos de seguridad, si se omite el electrolito líquido inflamable.
El electrolito sólido de sulfuro que utiliza ORNL tiene una conductividad iónica comparable a la del electrolito líquido. “Es muy atractivo”, afirma Guang Yang de ORNL. “Los compuestos de sulfuro crean una ruta conductora que permite que el litio se mueva de un lado a otro durante el proceso de carga/descarga”.
Los investigadores descubrieron que el peso molecular del aglutinante polimérico es elementary para fabricar películas electrolíticas de estado sólido duraderas. Las películas fabricadas con aglutinantes ligeros con cadenas poliméricas más cortas no tienen la resistencia necesaria para permanecer en contacto con el materials electrolítico. Por otro lado, las películas fabricadas con aglutinantes más pesados con cadenas poliméricas más largas tienen una mayor integridad estructural. Además, se requiere menos aglutinante de cadena larga para producir una buena película conductora de iones. El objetivo del estudio, revela ORNL, period encontrar el punto “Goldilocks”, es decir: ni demasiado grueso ni demasiado fino, sino justo el adecuado para soportar tanto la conducción de iones como la resistencia estructural.
“Queremos minimizar el aglutinante de polímero porque no conduce iones”, dijo Yang. “La única función del aglutinante es fijar las partículas de electrolito en la película. Usar más aglutinante mejora la calidad de la película pero scale back la conducción de iones. Por el contrario, usar menos aglutinante mejora la conducción de iones pero compromete la calidad de la película”.
Se utilizaron diversas investigaciones, desde la espectroscopia de impedancia electroquímica hasta la microscopía electrónica de barrido y la espectroscopia de rayos X, para mejorar la película de polímero y la conductividad. “Al comprender estos detalles, pudimos mejorar la capacidad del electrolito para conducir iones de manera efectiva y mantener su estabilidad”, dijo Yang. “Este análisis detallado es important para desarrollar baterías de estado sólido más confiables y eficientes”.
Ahora, según el investigador, la densidad energética debería duplicarse hasta “al menos 500 vatios-hora por kilogramo”. Las células deberían poder aumentar la densidad energética en los vehículos eléctricos, pero también en los ordenadores portátiles o los teléfonos inteligentes (y, por tanto, el tiempo de uso entre dos procesos de carga).