El silicio, una oportunidad para aumentar la densidad energética de las baterías

En la transición hacia una sociedad más electrificada, las baterías jugarán un papel esencial para ayudar a almacenar energía de fuentes renovables para suministrar electricidad para edificios, transporte y aplicaciones de red. Las tecnologías de baterías emergentes deben enfocarse en reducir los costos, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de densidad y vida útil. Usando capacidades ultramodernas e instalaciones de laboratorio de clase mundial, los investigadores de almacenamiento de energía de NREL continúan ampliando los límites de las baterías con el desarrollo de materiales, la gestión térmica, el diagnóstico y el modelado.

El primer nivel de innovación ocurre en la síntesis de materiales para baterías, la etapa en la que se produce el desarrollo o el perfeccionamiento de materiales para nuevos diseños de baterías. Los avances en las actualizaciones de materiales en toda la arquitectura de la batería pueden desbloquear mejoras en el rendimiento, la estabilidad y la sostenibilidad de la batería. Sin embargo, la introducción de nuevos materiales, como el silicio y el azufre, también puede generar nuevas reacciones químicas y estresores mecánicos. Los investigadores de NREL se enfrentan al desafío de abordar estas reacciones en evolución a través de una evaluación cuidadosa de materiales avanzados,

Los ánodos de silicio desbloquean aumentos en la densidad energética

El silicio puede ser una de las próximas grandes actualizaciones de materiales para baterías. A medida que los vehículos eléctricos continúan ganando popularidad, los investigadores han identificado al silicio como una oportunidad prometedora para aumentar la densidad de energía de las baterías de los vehículos. Una investigación reciente del Proyecto de Consorcio de Silicio (SCP, por sus siglas en inglés) liderado por NREL descubrió que reemplazar el grafito que se usa típicamente en los ánodos de las baterías de iones de litio con silicio puede allanar el camino para reducir el tamaño de la batería en un 25 % a 30 % y aumentar el rango de conducción en un 30 %. %–40%.

Sin embargo, los ánodos basados ​​en silicio presentan desafíos únicos para la estabilidad y la vida útil de las baterías de iones de litio. La litiación, que se produce durante la carga de la batería, provoca el hinchamiento y la compresión del silicio, lo que provoca grietas y fracturas en las partículas de la batería. Además, una reacción entre el silicio y el electrolito líquido conduce a la formación de un material de "interfaz de electrolito de silicio" que provoca la descomposición del electrolito dentro de la batería.

"Se trata de asegurarse de que los diferentes componentes dentro de la célula se comporten bien juntos", dijo Tony Burrell, científico sénior de materiales de NREL. “Nuestra investigación SCP tiene como objetivo equipar los ánodos de silicio con recubrimientos protectores para extender la vida útil de las baterías basadas en silicio, esencialmente cuánto tiempo pueden funcionar. Los recubrimientos de electrodos se usan comúnmente para mejorar la durabilidad de las baterías, pero depende de nosotros identificar los materiales y el grosor correctos para usar con silicio”.

La sostenibilidad es otra preocupación de vanguardia para los investigadores de NREL. Como tal, los equipos de investigación están dando prioridad a los diseños de materiales y productos que reducen el uso de materiales críticos raros, como el cobalto, que se usa actualmente en las baterías de iones de litio. Aunque el Li-ion continúa siendo el estándar para los vehículos eléctricos, las prioridades únicas del almacenamiento de energía estacionario, donde la vida útil suele ser más importante que el tamaño de la batería, están abriendo nuevas puertas en la investigación de materiales.

“Hay mucho valor en la optimización de diseños para aplicaciones de baterías más allá del transporte”, dijo Andrew Colclasure, investigador de almacenamiento de energía de NREL. “Nuestro mayor enfoque en las baterías estacionarias está desafiando a los investigadores a ser creativos con el desarrollo de materiales, incluidos los materiales abundantes en la tierra o fácilmente disponibles”.

Investigaciones recientes del NREL han identificado las baterías de ánodo de titanato de litio y de cátodo de óxido de manganeso de litio como opciones prometedoras libres de materiales críticos. Los investigadores del laboratorio también miran más allá del litio hacia ideas tecnológicas nuevas o emergentes, como flujo redox, acuoso, sodio o magnesio. Un área de investigación alentadora tiene como objetivo reemplazar el electrolito líquido con un diseño de batería de estado sólido. Las baterías de estado sólido podrían ofrecer una mayor estabilidad y capacidad energética en comparación con las tecnologías de baterías tradicionales; sin embargo, se necesita más investigación para optimizar estas baterías para un uso generalizado en vehículos o aplicaciones estacionarias.

Decodificación de señales térmicas para mejorar el rendimiento de la batería

Uno de los aspectos más importantes de la investigación sobre el rendimiento de las baterías es la gestión térmica. Aunque las temperaturas más altas de la batería pueden mejorar la conductividad iónica y la capacidad energética de la celda, el equilibrio es clave. Las temperaturas más altas pueden acelerar las reacciones químicas, lo que lleva a la degradación de las celdas o al envejecimiento que limita la vida útil de la batería. Las temperaturas más bajas pueden limitar la densidad de energía y el rendimiento de la batería. Además, la gestión térmica es fundamental para la seguridad de la batería. En algunos casos, el sobrecalentamiento y la sobrepresurización de la celda pueden provocar una fuga térmica, una liberación de calor extrema con efectos catastróficos ocasionales.

“El rendimiento térmico de una batería es fundamental para la eficiencia energética general”, dijo Keyser. “Los puntos calientes en las células pueden indicar que la energía no se está utilizando de manera eficiente en toda la célula. Nuestra investigación optimiza las temperaturas de funcionamiento de los sistemas de almacenamiento de energía, garantiza la uniformidad en toda la batería e informa los diseños del sistema de gestión térmica”.

En consecuencia, los expertos en gestión térmica de NREL confían en amplios equipos y capacidades, incluidos los calorímetros, cicladores y cámaras ambientales personalizados de NREL, para evaluar todos los aspectos térmicos del funcionamiento de la batería para encontrar dónde se desarrolla el calor. Estas evaluaciones ayudan a optimizar el comportamiento térmico de una celda de batería, su vida útil y la seguridad del sistema de almacenamiento de energía.

Con el respaldo de la investigación en NREL, la próxima generación de almacenamiento en batería parece prometedora. La investigación del laboratorio no solo se enfoca en mejorar las baterías de iones de litio preferidas por la industria, sino que, al mismo tiempo, continúa explorando nuevas oportunidades en los diseños de baterías. Sin embargo, los investigadores también reconocen la necesidad de considerar el futuro de las baterías gastadas y desechadas, clave para el éxito duradero del almacenamiento en baterías.

Además, la cartera de baterías de NREL incluye investigaciones novedosas para aumentar el valor de vida útil de los materiales de las baterías mediante la reutilización y el reciclaje. Como parte del Centro ReCell del Departamento de Energía de EEUU , NREL está ayudando a mejorar el reciclaje directo de baterías de iones de litio, que utiliza menos energía y minimiza los impactos ambientales para capturar materiales más valiosos en comparación con métodos de reciclaje alternativos. Esta investigación respalda el desarrollo de una economía circular para materiales esenciales para baterías y mejora la sostenibilidad general de las tecnologías de baterías.

“El almacenamiento de energía es el núcleo de la misión de NREL de difundir tecnologías de energía renovable y optimizar los sistemas de energía en todo el mundo”, dijo Burrell. "Si nuestra investigación sobre baterías puede ayudar a respaldar la demanda de energía en toda la red, podemos minimizar el uso de energía, las emisiones de gases de efecto invernadero, el agotamiento de los recursos y los costos para lograr un futuro de energía limpia".