La urgente necesidad de reducir las emisiones de carbono está impulsando un rápido movimiento hacia la movilidad electrificada y el despliegue ampliado de energía solar y eólica en la red eléctrica. Si esas tendencias aumentan como se esperaba, se intensificará la necesidad de mejores métodos de almacenamiento de energía eléctrica.
Obviamente, el desarrollo de tecnologías para el almacenamiento basado en redes a gran escala es fundamental. Pero para las aplicaciones móviles, en particular, el transporte, mucha investigación se centra en adaptar la batería de iones de litio actual para hacer versiones más seguras, más pequeñas y que puedan almacenar más energía para su tamaño y peso.
Las baterías tradicionales de iones de litio continúan mejorando, pero tienen limitaciones que persisten, en parte debido a su estructura. Una batería de iones de litio consta de dos electrodos, uno positivo y otro negativo, intercalados alrededor de un líquido orgánico (que contiene carbono). A medida que la batería se carga y descarga, las partículas (o iones) de litio cargadas eléctricamente pasan de un electrodo a otro a través del electrolito líquido.
Un problema con ese diseño es que a ciertos voltajes y temperaturas, el electrolito líquido puede volverse volátil e incendiarse. Las baterías son generalmente seguras con un uso normal, pero el riesgo sigue ahí.
Otro problema es que las baterías de iones de litio no son adecuadas para su uso en vehículos. Los paquetes de baterías grandes y pesados ocupan espacio y aumentan el peso total del vehículo, lo que reduce la eficiencia del combustible. Pero está resultando difícil hacer que las baterías de iones de litio de hoy en día sean más pequeñas y livianas mientras se mantiene su densidad de energía, es decir, la cantidad de energía que almacenan por gramo de peso.
Para resolver esos problemas, los investigadores están cambiando las características clave de la batería de iones de litio para hacer una versión totalmente sólida o de "estado sólido". Reemplazan el electrolito líquido en el medio con un electrolito sólido delgado que es estable en una amplia gama de voltajes y temperaturas. Con ese electrolito sólido, usan un electrodo positivo de alta capacidad y un electrodo negativo de metal de litio de alta capacidad que es mucho más delgado que la capa habitual de carbono poroso. Esos cambios hacen posible reducir considerablemente la batería en general mientras se mantiene su capacidad de almacenamiento de energía, logrando así una mayor densidad de energía.
Esas características — seguridad mejorada y mayor densidad de energía — son probablemente las dos ventajas más promocionadas de una batería de estado sólido potencial.
Sobre la base de la experiencia de la industria con las baterías de iones de litio actuales, los investigadores del MIT y sus colegas sugieren tres preguntas generales que pueden ayudar a identificar las limitaciones potenciales en la ampliación futura como resultado de la selección de materiales. Primero, con este diseño de batería, ¿la disponibilidad de materiales, las cadenas de suministro o la volatilidad de los precios podrían convertirse en un problema a medida que aumenta la producción? (Tenga en cuenta que las preocupaciones ambientales y de otro tipo planteadas por la minería ampliada están fuera del alcance de este estudio). En segundo lugar, ¿la fabricación de baterías a partir de estos materiales implicará pasos de fabricación difíciles durante los cuales es probable que fallen las piezas? Y tercero, ¿las medidas de fabricación necesarias para garantizar un producto de alto rendimiento basado en estos materiales reducen o aumentan en última instancia el coste de las baterías producidas?
Para demostrar su enfoque, Olivetti, Ceder y Huang examinaron algunas de las químicas de los electrolitos y las estructuras de las baterías que ahora están investigando los investigadores. Para seleccionar sus ejemplos, recurrieron a trabajos anteriores en los que ellos y sus colaboradores utilizaron técnicas de extracción de texto y datos para recopilar información sobre los materiales y los detalles del procesamiento que se informan en la literatura. De esa base de datos, seleccionaron algunas opciones informadas con frecuencia que representan una gama de posibilidades.
Materiales y disponibilidad
En el mundo de los electrolitos inorgánicos sólidos, hay dos clases principales de materiales: los óxidos, que contienen oxígeno, y los sulfuros, que contienen azufre.
El sulfuro que consideró el equipo fue LGPS, que combina litio, germanio, fósforo y azufre. Basándose en consideraciones de disponibilidad, se centraron en el germanio, un elemento que genera preocupaciones en parte porque generalmente no se extrae por sí solo. En cambio, es un subproducto producido durante la extracción de carbón y zinc.
Para investigar su disponibilidad, los investigadores observaron cuánto germanio se produjo anualmente en las últimas seis décadas durante la extracción de carbón y zinc y luego cuánto podría haberse producido. El resultado sugirió que se podría haber producido 100 veces más germanio, incluso en los últimos años. Dado ese potencial de suministro, no es probable que la disponibilidad de germanio limite la ampliación de una batería de estado sólido basada en un electrolito LGPS.
La situación parecía menos prometedora con el óxido seleccionado por los investigadores, LLZO, que consiste en litio, lantano, circonio y oxígeno. La extracción y el procesamiento del lantano se concentran en gran medida en China y hay datos limitados disponibles, por lo que los investigadores no intentaron analizar su disponibilidad. Los otros tres elementos están disponibles en abundancia. Sin embargo, en la práctica, se debe agregar una pequeña cantidad de otro elemento, llamado dopante, para que LLZO sea fácil de procesar. Así que el equipo se centró en el tantalio, el dopante más utilizado, como el principal elemento de preocupación para LLZO.
El tantalio se produce como subproducto de la extracción de estaño y niobio. Los datos históricos muestran que la cantidad de tantalio producido durante la extracción de estaño y niobio estaba mucho más cerca del máximo potencial que en el caso del germanio. Por lo tanto, la disponibilidad de tantalio es más preocupante para la posible ampliación de una batería basada en LLZO.
Pero conocer la disponibilidad de un elemento en el suelo no aborda los pasos necesarios para llevarlo a un fabricante. Entonces, los investigadores investigaron una pregunta de seguimiento relacionada con las cadenas de suministro de elementos críticos: minería, procesamiento, refinación, envío, etc. Suponiendo que haya abundantes suministros disponibles, ¿pueden las cadenas de suministro que entregan esos materiales expandirse lo suficientemente rápido para satisfacer la creciente demanda de baterías?
En análisis de muestra, observaron cuánto necesitarían crecer las cadenas de suministro de germanio y tantalio año tras año para proporcionar baterías para una flota proyectada de vehículos eléctricos en 2030. Como ejemplo, una flota de vehículos eléctricos a menudo se cita como objetivo para 2030 requeriría la producción de suficientes baterías para entregar un total de 100 gigavatios hora de energía. Para alcanzar ese objetivo utilizando solo baterías LGPS, la cadena de suministro de germanio tendría que crecer un 50 por ciento de un año a otro, un tramo, ya que la tasa de crecimiento máxima en el pasado ha sido de alrededor del 7 por ciento. Usando solo baterías LLZO, la cadena de suministro de tantalio tendría que crecer en aproximadamente un 30 por ciento, una tasa de crecimiento muy por encima del máximo histórico de aproximadamente el 10 por ciento.
Estos ejemplos demuestran la importancia de considerar tanto la disponibilidad de materiales como las cadenas de suministro al evaluar diferentes electrolitos sólidos para determinar su potencial de ampliación. Incluso cuando la cantidad de material disponible no es una preocupación, como es el caso del germanio, escalar todos los pasos en la cadena de suministro para que coincida con la producción futura de vehículos eléctricos puede requerir una tasa de crecimiento que literalmente no tiene precedentes.
Materiales y procesamiento
Al evaluar el potencial de ampliación de un diseño de batería, otro factor a considerar es la dificultad del proceso de fabricación y cómo puede afectar el costo. La fabricación de una batería de estado sólido implica inevitablemente muchos pasos, y una falla en cualquier paso aumenta el costo de cada batería producida con éxito.
Como proxy de la dificultad de fabricación, los investigadores exploraron el impacto de la tasa de fallas en el costo general de los diseños de baterías de estado sólido seleccionados en su base de datos. En un ejemplo, se centraron en el óxido LLZO. LLZO es extremadamente frágil y, a las altas temperaturas involucradas en la fabricación, es probable que una hoja grande que sea lo suficientemente delgada para usar en una batería de estado sólido de alto rendimiento se agriete o se deforme.
Para determinar el impacto de tales fallas en el costo, modelaron cuatro pasos clave de procesamiento en el ensamblaje de baterías basadas en LLZO. En cada paso, calcularon el costo en función de un rendimiento supuesto, es decir, la fracción del total de unidades que se procesaron con éxito sin fallar. Con LLZO, el rendimiento fue mucho menor que con los otros diseños que examinaron; y, a medida que disminuía el rendimiento, el costo de cada kilovatio-hora (kWh) de energía de la batería aumentó significativamente. Por ejemplo, cuando fallaron un 5% más de unidades durante el último paso de calentamiento del cátodo, el costo aumentó en aproximadamente $ 30 / kWh, un cambio no trivial considerando que un costo objetivo comúnmente aceptado para tales baterías es $ 100 / kWh. Claramente, las dificultades de fabricación pueden tener un impacto profundo en la viabilidad de un diseño para su adopción a gran escala.
Materiales y rendimiento
Uno de los principales desafíos en el diseño de una batería completamente sólida proviene de las "interfaces", es decir, donde un componente se encuentra con otro. Durante la fabricación u operación, los materiales en esas interfaces pueden volverse inestables. Los átomos comienzan a ir a lugares donde no deberían y el rendimiento de la batería disminuye.
Como resultado, se dedica mucha investigación a encontrar métodos para estabilizar interfaces en diferentes diseños de baterías. Muchos de los métodos propuestos aumentan el rendimiento; y como resultado, el costo de la batería en dólares por kWh disminuye. Pero la implementación de tales soluciones generalmente implica materiales y tiempo adicionales, lo que aumenta el costo por kWh durante la fabricación a gran escala.
Para ilustrar esa compensación, los investigadores primero examinaron su óxido, LLZO. Aquí, el objetivo es estabilizar la interfaz entre el electrolito LLZO y el electrodo negativo insertando una fina capa de estaño entre los dos. Analizaron los impactos, tanto positivos como negativos, sobre el costo de implementar esa solución. Descubrieron que agregar el separador de estaño aumenta la capacidad de almacenamiento de energía y mejora el rendimiento, lo que reduce el costo unitario en dólares / kWh. Pero el costo de incluir la capa de estaño supera los ahorros por lo que el costo final es mayor que el costo original.
En otro análisis, observaron un electrolito de sulfuro llamado LPSCl, que consiste en litio, fósforo y azufre con un poco de cloro agregado. En este caso, el electrodo positivo incorpora partículas del material del electrolito, un método para asegurar que los iones de litio puedan encontrar un camino a través del electrolito hacia el otro electrodo. Sin embargo, las partículas de electrolito agregadas no son compatibles con otras partículas en el electrodo positivo, otro problema de interfaz. En este caso, una solución estándar es agregar un "aglutinante", otro material que hace que las partículas se peguen.
Su análisis confirmó que sin el aglutinante, el rendimiento es deficiente y el costo de la batería basada en LPSCl es de más de $ 500 / kWh. Agregar el aglutinante mejora el rendimiento de manera significativa y el costo se reduce en casi $ 300 / kWh. En este caso, el coste de añadir el aglutinante durante la fabricación es tan bajo que esencialmente se realiza toda la reducción del coste de añadir el aglutinante. Aquí, el método implementado para resolver el problema de la interfaz se amortiza a un costo menor.
Los investigadores realizaron estudios similares de otras baterías de estado sólido prometedoras reportadas en la literatura, y sus resultados fueron consistentes: la elección de los materiales y procesos de la batería puede afectar no solo los resultados a corto plazo en el laboratorio, sino también la viabilidad y el costo de fabricación de la batería. propuso una batería de estado sólido a la escala necesaria para satisfacer la demanda futura. Los resultados también mostraron que considerar los tres factores juntos (disponibilidad, necesidades de procesamiento y rendimiento de la batería) es importante porque puede haber efectos colectivos y compensaciones involucradas.
MIT
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