El solvente a cojín de C2H5OH aumenta la densidad de energía de la hilera, un paso más cerca de los mejores vehículos eléctricos del futuro

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Solo el 2% de los vehículos están electrificados hasta la fecha, pero se proyecta que alcance el 30% en 2030. Una clave para mejorar la comercialización de vehículos eléctricos (VE) es aumentar su densidad de energía gravimétrica, medida en vatios hora por kilogramo. utilizando materiales más seguros, fácilmente reciclables y abundantes. El metal de litio en los ánodos se considera el “Santo Grial” para mejorar la densidad de energía en las baterías de vehículos eléctricos frente a opciones existentes como el grafito a 240 Wh / kg en la carrera por lograr una densidad de energía más competitiva a 500 Wh / kg.

Yan Yao, profesor Cullen de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston, y Jibo Zhang postdoctoral de la UH, están abordando este desafío con colegas de la Universidad Rice. En un artículo publicado el 17 de junio en Joule, Zhang, Yao y el equipo demuestran una doble mejora en la densidad de energía para las baterías de litio de estado sólido de base orgánica mediante el uso de un proceso asistido por solventes para alterar la microestructura del electrodo. Zhaoyang Chen, Fang Hao, Yanliang Liang de UH, Qing Ai, Tanguy Terlier, Hua Guo y Jun Lou de Rice University son coautores del artículo.

“Estamos desarrollando materiales de cátodos orgánicos libres de cobalto, abundantes en la tierra y de bajo costo para una batería de estado sólido que ya no requerirá los escasos metales de transición que se encuentran en las minas”, dijo Yao. “Esta investigación es un paso adelante en el aumento de la densidad de energía de la batería de EV utilizando esta alternativa más sostenible”. Yao también es investigador principal del Centro de Superconductividad de Texas en UH (TcSUH).

Cualquier batería incluye un ánodo, también conocido como electrodo negativo, y un cátodo, también conocido como electrodo positivo, que están separados en una batería por una membrana porosa. Los iones de litio fluyen a través de un conductor de iones, un electrolito, que permite la carga y descarga de electrones que generan electricidad para, por ejemplo, un vehículo.

Los electrolitos suelen ser líquidos, pero no es necesario; también pueden ser sólidos, un concepto relativamente nuevo. Esta novedad, combinada con un ánodo de metal de litio, puede prevenir cortocircuitos, mejorar la densidad de energía y permitir una carga más rápida.

Los cátodos suelen determinar la capacidad y el voltaje de una batería y, posteriormente, son la parte más cara de las baterías debido al uso de materiales escasos como el cobalto, que se prevé que alcancen un déficit de 65.000 toneladas en 2030. Los cátodos a base de cobalto se utilizan casi exclusivamente en sólidos – Estado de batería por su excelente desempeño; Sólo recientemente han surgido baterías de litio basadas en compuestos orgánicos (OBEM-Li) como una alternativa más abundante, más limpia y más fácilmente reciclable.

“Existe una gran preocupación en torno a la cadena de suministro de baterías de iones de litio en los Estados Unidos”, dijo Yao. “En este trabajo, mostramos la posibilidad de construir baterías de litio de alta densidad energética mediante la sustitución de cátodos a base de metales de transición con materiales orgánicos obtenidos de una refinería de petróleo o biorrefinería, ambas con la mayor capacidad de Estados Unidos en el mundo”.

Los cátodos a base de cobalto generan 800 Wh / kg de energía específica a nivel de material, o voltaje multiplicado por la capacidad, al igual que las baterías OBEM-Li, que fue demostrado por primera vez por el equipo en su publicación anterior, pero las baterías OBEM-Li anteriores estaban limitadas a fracción de masa baja de materiales activos debido a la microestructura del cátodo no ideal. Esto limitó la densidad de energía total.

Yao y Zhang descubrieron cómo mejorar la densidad de energía a nivel de electrodo en baterías OBEM-Li optimizando la microestructura del cátodo para un mejor transporte de iones dentro del cátodo. Para hacer esto, se alteró la microestructura usando un solvente familiar: etanol. El cátodo orgánico utilizado fue pireno-4,5,9,10-tetraona o PTO.

“Los cátodos a base de cobalto a menudo se prefieren porque la microestructura es naturalmente ideal, pero formar la microestructura ideal en una batería de estado sólido de base orgánica es más desafiante”, dijo Zhang.

A nivel de electrodo, la microestructura asistida por solvente aumentó la densidad de energía a 300 Wh / kg en comparación con la microestructura mixta seca a poco menos de 180 Wh / kg, mejorando significativamente la tasa de utilización del material activo. Anteriormente, se podía aumentar la cantidad de materiales activos, pero la tasa de utilización seguía siendo baja, cercana al 50%. Con la aportación de Zhang, esa tasa de utilización mejoró al 98% y condujo a una mayor densidad de energía.

“Inicialmente estaba mirando las propiedades químicas de la PTO, que sabía que oxidaría el electrolito de sulfuro”, dijo Zhang. “Esto condujo a una discusión sobre cómo podríamos aprovechar esta reacción. Junto con colegas de la Universidad de Rice, estudiamos la composición química, la distribución espacial y la reversibilidad electroquímica de la interfase cátodo-electrolito sólido, lo que puede proporcionarnos sugerencias. sobre por qué la batería podría funcionar tan bien sin que su capacidad decaiga “, dijo Zhang.

Durante la última década, el costo de las baterías de los vehículos eléctricos se ha reducido a casi el 10% de su costo original, lo que las hace comercialmente viables. Entonces, pueden pasar muchas cosas en una década. Esta investigación es un paso crítico en el proceso hacia vehículos eléctricos más sostenibles y un trampolín para la próxima década de investigación. A este ritmo, quizás tan literalmente como eufemísticamente, el futuro parece mucho más verde del otro lado.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del Departamento de Energía de EE. UU., Como parte del Consorcio Battery 500.

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