es.wedoany.com Noticia: Investigadores del laboratorio de Julia R. Greer en el Instituto Tecnológico de California (Caltech) han desarrollado un nuevo método para fabricar cátodos de batería con estructura tridimensional, con el objetivo de mejorar la seguridad, reducir el impacto ambiental y aumentar el rendimiento de las futuras baterías.
Este nuevo cátodo sustituye el tóxico, costoso y éticamente problemático cobalto por fosfato de hierro y litio (LFP) incrustado en una matriz de carbono. El fosfato de hierro y litio es más seguro durante la sobrecarga y menos propenso a provocar incendios o cortocircuitos. Los investigadores superaron las limitaciones del rendimiento inherentemente inferior del LFP rediseñando la estructura interna de la batería.
Yingjin Wang, estudiante de posgrado del laboratorio de Greer, indicó que el equipo desarrolló un método universal para fabricar electrodos de batería con estructura tridimensional utilizando materiales más seguros. Al combinar el fosfato de hierro y litio (comúnmente conocido como LFP) con una matriz de carbono, el diseño mejora la tenacidad mecánica de la batería mientras elimina el uso del peligroso cobalto.
Las baterías de iones de litio son la principal fuente de energía para dispositivos móviles modernos, vehículos eléctricos y redes de energía renovable, y constan de cinco componentes clave: ánodo, cátodo, electrolito líquido, separador y colector de corriente. A pesar de su importante valor comercial, el diseño estándar presenta riesgos de seguridad persistentes y limitaciones de rendimiento. Este nuevo avance, al replantear el diseño de las baterías, ofrece un camino hacia tecnologías de almacenamiento de energía más seguras, ecológicas y de mayor rendimiento.
Mientras que las baterías de iones de litio tradicionales dependen de electrodos planos bidimensionales, esta nueva investigación introduce un cátodo con estructura tridimensional producido mediante impresión 3D. La transición de un diseño plano a una estructura 3D maximiza el área de superficie activa para convertir energía química en eléctrica. Greer explicó que esta estructura facilita la desacoplamiento de las distancias de difusión en estado sólido y líquido; a medida que el electrolito líquido fluye a través de la estructura laberíntica, hay superficie sólida disponible en todas partes. Al mismo tiempo, el diseño reduce la tortuosidad, acortando la trayectoria física de los iones entre el cátodo y el separador, lo que aumenta la densidad de potencia de la batería, permitiéndole liberar la energía almacenada más rápidamente.
Actualmente, los cátodos de las baterías de iones de litio dependen del cobalto, cuya cadena de suministro está plagada de prácticas mineras poco éticas, y el material en sí presenta riesgos de seguridad. En comparación, el fosfato de hierro y litio es una alternativa más segura, ya que su química estable reduce el riesgo de fuga térmica o cortocircuito. Greer señaló que el fosfato de hierro y litio no es un material nuevo en sí mismo, pero utilizar métodos de fabricación aditiva (es decir, impresión 3D) para crear electrodos estructurales sin cobalto es una novedad. El próximo hito de los investigadores es diseñar un ánodo de fosfato de hierro y litio con estructura 3D complementario para lograr una batería completamente 3D que combine alta densidad de energía y alta densidad de potencia. Dado que la investigación se encuentra en una etapa temprana y los complejos parámetros de fabricación, alcanzar este objetivo será un desafío de fabricación altamente complejo. El objetivo final del equipo es integrar un electrolito de base polimérica para lograr una verdadera batería de estado sólido. La investigación fue publicada en la revista ACS Energy Letters.
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