Solo el 2% de los vehículos están electrificados hasta la fecha, pero se prevé que alcance el 30% en 2030. Una clave para mejorar la comercialización de vehículos eléctricos (EV) es aumentar su densidad de energía gravimétrica, medida en vatios-hora por kilogramo, utilizando materiales más seguros, fácilmente reciclables y en abundancia. El metal de litio en ánodos se considera el "santo grial" para mejorar la densidad de energía en las baterías de vehículos eléctricos en comparación con las opciones tradicionales como el grafito a 240 Wh / kg en la carrera por alcanzar una densidad de energía más competitiva a 500 Wh / kg.
Investigadores de la Universidad de Houston están asumiendo este desafío con colegas de la Universidad Rice. El equipo demostró una mejora doble 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.
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 el equipo. “Esta investigación es un paso adelante en el aumento de la densidad de energía de la batería de los vehículos eléctricos utilizando esta alternativa más sostenible.
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 iónico, un electrolito, que permite la carga y descarga de electrones que generan electricidad para, digamos, un vehículo.
Los electrolitos suelen ser líquidos, pero eso no es necesario; también pueden ser sólidos, un concepto relativamente nuevo. Esta novedad, combinada con un ánodo de metal de litio, puede evitar cortocircuitos, mejorar la densidad de energía y permitir una carga más rápida.
Los cátodos suelen determinar la capacidad y 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 espera que alcance un déficit de 65,000 toneladas en 2030. Los cátodos a base de cobalto se utilizan casi exclusivamente en baterías de estado sólido debido a su excelente actuación; Recientemente, las baterías de litio a base de compuestos orgánicos (OBEM-Li) surgieron como una alternativa más abundante y limpia que se recicla más fácilmente.
Existe una gran preocupación en torno a la cadena de suministro de baterías de iones de litio en los Estados Unidos. En este trabajo, los investigadores muestran 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 una 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 la fracción de masa baja de los materiales activos debido a la microestructura del cátodo no ideal. Esto limitó la densidad de energía total.
El equipo descubrió cómo mejorar la densidad de energía a nivel de electrodo en las baterías OBEM-Li optimizando la microestructura del cátodo para mejorar el transporte de iones dentro del cátodo. Para hacer esto, la microestructura se alteró usando un solvente familiar: el 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.
A nivel de electrodo, la microestructura asistida por solvente aumentó la densidad de energía a 300 Wh / kg en comparación con la microestructura de mezcla en seco a poco menos de 180 Wh / kg al mejorar significativamente la tasa de utilización del material activo. Anteriormente, se podía aumentar la cantidad de materiales activos, pero el porcentaje de utilización aún era bajo, cercano al 50%.
Durante los últimos diez años, el costo de EV las baterías se redujeron 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 fundamental en el proceso hacia vehículos eléctricos más sostenibles y un trampolín para la próxima década de investigación. A este ritmo, quizás tan literal como eufemísticamente, el futuro parece mucho más verde del otro lado.