Laboratorio Christian Doppler para Sólidos

En los últimos años, se ha llevado a cabo una intensa investigación sobre electrolitos en estado sólido y se han desarrollado materiales que tienen una conductividad iónica similar a la de los electrolitos líquidos. Pero el objetivo en mente siempre fue claro. Las baterías con electrolitos sólidos, como las de cerámica, alcanzan densidades de potencia y energía inmensamente más altas que las baterías de iones de litio convencionales con electrolito líquido, y además serían ignífugas. "Las baterías de estado sólido serían un gran paso hacia la movilidad eléctrica en toda el área", enfatiza Daniel Rettenwander del Instituto de Química y Tecnología de Materiales de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz) en Austria.

Sin embargo, la implementación de electrolitos de estado sólido recientemente desarrollados en baterías de iones de litio reveló rápidamente un problema importante, como describe el investigador: "Se forman altas resistencias en las interfaces, lo que impide el transporte rápido de iones entre los electrodos y, por lo tanto, conduce a una pérdida significativa". En la mayoría de los casos, los culpables son las interfaces entre el electrolito de estado sólido y el material del electrodo y entre las partículas del propio electrolito". El nuevo laboratorio Christian Doppler (CD) para baterías de estado sólido dirigido por Rettenwander, que se inauguró junto con el socio de la industria AVL el 12 de noviembre de 2020, tiene como objetivo dar un nuevo impulso a los iones ralentizados.

Para AVL, este laboratorio de CD es de gran importancia. "Como desarrollador de baterías de accionamiento innovadoras, los hallazgos de la investigación son extremadamente valiosos para el desarrollo de futuros módulos de batería basados ​​en tecnología de baterías de estado sólido", enfatiza Volker Hennige, jefe del departamento de baterías de AVL. En consecuencia, AVL está apoyando el proyecto de investigación de siete años junto con el sector público. El presupuesto del CD lab con siete empleados asciende a unos dos millones de euros. La fuente de financiación pública más importante es el Ministerio Federal de Asuntos Digitales y Económicos (BMDW).

La Dra. Margarete Schramböck, ministra federal de Asuntos Económicos y Digitales, añade: "La cooperación entre las empresas y la ciencia es esencial para encontrar soluciones viables y sostenibles a desafíos complejos como la crisis climática. Particularmente para Austria como lugar de negocios, la transferencia de conocimiento entre empresas y universidades tiene un enorme potencial para seguir siendo competitivo internacionalmente a través de la aplicación concreta de los resultados de la investigación por parte de las empresas, por lo que estoy encantado de que el Laboratorio Christian Doppler para Baterías de Estado Sólido lleve a cabo una intensa investigación durante los próximos siete años sobre este aspecto económico y económico. tema de gran relevancia social".

El principal problema con las baterías de estado sólido son las faltas de homogeneidad de los contactos en las diversas interfaces. A tasas de corriente muy altas, esto conduce a picos de corriente locales, lo que significa que los iones de litio ya no tienen tiempo suficiente para distribuirse uniformemente en la interfaz. En el caso de la interfase formada entre el litio metálico y los electrolitos sólidos, esto conduce a la formación de estructuras similares a agujas, las llamadas dendritas, que crecen a través del electrolito y, en el peor de los casos, provocan un cortocircuito y la ignición de la batería. La pérdida de contacto debido al cambio de volumen del material del cátodo durante los procesos de carga y descarga y la descomposición electroquímica del electrolito en estado sólido a altos voltajes de celda debido a la inestabilidad termodinámica son otras razones que actualmente obstaculizan el desarrollo de baterías de estado sólido.

Rettenwander y su equipo se centran en varios enfoques: "La distribución de la densidad de corriente en las interfaces se puede homogeneizar, por ejemplo, mediante la introducción de capas intermedias con propiedades de transporte de litio ajustadas con precisión. Además, queremos probar métodos de carga alternativos, como los métodos de carga por pulsos". en lugar de corriente continua para lograr una deposición homogénea de litio".

Las baterías de estado sólido más livianas proporcionan una mayor densidad de energía. Se podría utilizar una combinación de electrolitos basados ​​en cerámica y polímeros para reducir el peso y, al mismo tiempo, compensar la pérdida de contacto debida a la expansión del material del cátodo durante la carga y la descarga. "Esto sería lo mejor de ambos mundos: la alta conductividad y la estabilidad termodinámica de los electrolitos cerámicos combinados con las excelentes propiedades mecánicas y la fácil procesabilidad de los electrolitos basados ​​en polímeros. Sin embargo, esto a su vez crea nuevas interfaces, concretamente entre la cerámica y el polímero, que evitar el transporte de iones entre los componentes. Para que el transporte de iones sea fluido, se requieren modificaciones en la superficie para mejorar la unión entre la cerámica y el polímero", explica Daniel Rettenwander. Al desarrollar polímeros adecuados y modificar las superficies de los materiales cerámicos, el laboratorio de CD de Rettenwander coopera con el CD-Laboratorio para organocatálisis en polimerización del colega Christian Slugovc de TU Graz, así como con el grupo de trabajo del investigador de TU Graz Gregor Trimmel. Ellos recientementepublicó hallazgos sobre este tema en la revista científica Cell Press Physical Science.

Rettenwander echa un vistazo al futuro cercano: "El desarrollo de baterías de estado sólido ya está relativamente avanzado en contraste con las baterías de litio-aire o tecnologías de baterías experimentales similares. Todavía pasará algún tiempo antes de que este tipo de batería esté listo para altas -aplicaciones energéticas, como en vehículos eléctricos, pero es previsible incluso aquí en Estiria ya que las baterías de estado sólido ya se encuentran en casos aislados como pequeñas baterías para componentes electrónicos. Conocemos las áreas problemáticas concretas, están trabajando a toda velocidad en soluciones sostenibles en este laboratorio de CD, entre otras cosas, y por lo tanto nos vemos como una plataforma de lanzamiento esencial para la próxima generación de sistemas de almacenamiento de energía".

Este laboratorio de CD está anclado en el campo de especialización, ciencia de materiales avanzados, en la Universidad Tecnológica de Graz.

Un total de 12 laboratorios de CD están actualmente activos en la Universidad Tecnológica de Graz. "Las colaboraciones de investigación con la industria y las empresas forman parte de nuestro día a día como universidad emprendedora. El modelo de financiación de laboratorios de CD es especialmente gratificante, ya que reúne a científicos destacados con empresas innovadoras en términos de investigación básica orientada a la aplicación al más alto nivel". dice el rector de TU Graz, Harald Kainz.

En Christian Doppler Laboratories, la investigación básica orientada a la aplicación se lleva a cabo a un alto nivel, con destacados científicos que cooperan con empresas innovadoras. La Christian Doppler Research Society (CDG) es considerada internacionalmente como un ejemplo de mejores prácticas en la promoción de esta cooperación. Los Laboratorios Christian Doppler están financiados conjuntamente por el sector público y las empresas participantes. La fuente de financiación pública más importante es el Ministerio Federal de Asuntos Digitales y Económicos (BMDW). Más información sobre el CDG http://www.cdg.ac.at.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad Tecnológica de Graz