Innovación 4D STEM de Mizzou: Mejorando la eficiencia de las baterías de estado sólido

Las baterías de estado sólido están en el foco estos días. Están ganando terreno de manera constante en la electrónica de consumo y los vehículos eléctricos, constituyendo la mayor parte del mercado global de baterías de estado sólido en 2022.

Los investigadores estiman que las aplicaciones de baterías de estado sólido en el sector de vehículos eléctricos crecerán exponencialmente en la próxima década, alcanzando un tamaño de mercado de US$4.3 mil millones para 2032. Hay razones por las que las baterías de estado sólido están preparadas para un crecimiento exponencial. Esencialmente, se refieren a una tecnología de batería que utiliza un electrolito sólido en lugar de electrolitos líquidos, como se usa en la tecnología de iones de litio. 

Las celdas de estado sólido constan de un cátodo, un separador y un ánodo. El cátodo podría fabricarse con los mismos compuestos que una batería de iones de litio. En contraste, el separador generalmente está hecho de cerámica o polímero sólido, que también funciona como electrolito. El ánodo está hecho de metal de litio. 

Cuando se carga, las partículas de litio dentro de estas baterías se desplazan del cátodo a través de la estructura atómica del separador y el contacto eléctrico del ánodo, formando una capa sólida de litio puro. El proceso asegura que el ánodo consista únicamente de partículas de litio y tenga un volumen menor que el de un ánodo de tecnología de iones de litio con estructura de grafito. 

Aunque estas baterías todavía están en su fase de desarrollo, prometen múltiples mejoras sobre las baterías actuales, incluyendo mayor densidad energética, mayor vida útil, mayor seguridad y menor tamaño. La perspectiva prometedora que ofrecen las baterías de estado sólido las ha convertido en un espacio atractivo para que los científicos exploren más a fondo y vean qué se puede hacer con ellas.

Un comunicado de prensa reciente de una investigación de la Universidad de Minnesota afirma que los investigadores están “descifrando el código de las baterías de estado sólido“. En los próximos segmentos, analizaremos las razones que impulsan esta afirmación tan ambiciosa. 

Lo que los investigadores de la Universidad de Minnesota han logrado

La investigación, titulada Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, demuestra un flujo de trabajo simple para estudiar la formación de la interfase cátodo‑electrolito (CEI) usando microscopía electrónica de transmisión de escaneo 4D (4D‑STEM) que no requiere el ensamblaje de SS‑LIB.

En los puntos de contacto entre el electrolito sólido y el material activo del cátodo en baterías de iones de litio de estado sólido, se forman capas de interfase, aumentando la impedancia de la celda. Los investigadores eliminan la necesidad del ensamblaje SS‑LIB y muestran los beneficios de MoCl5:EtOH como agente químico de deslitio, junto con polvo de cátodo LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) químicamente deslitado en contacto con polvo SE Li10GeP2S12 (LGPS), como sustituto de CEI de SS‑LIB.

Los investigadores mapearon la composición y estructura de las capas CEI usando 4D‑STEM, espectroscopía de rayos X por dispersión de energía (EDS) y análisis de función de distribución de pares de electrones (ePDF). Sus hallazgos sugieren que los recubrimientos que bloquean el transporte de aniones mientras permiten el transporte de iones de litio y electrones pueden prevenir la formación de interfase y reducir la impedancia en SS‑LIBs. 

Al describir la naturaleza del recubrimiento, Young dijo:

“Los recubrimientos deben ser lo suficientemente finos para evitar reacciones, pero no tan gruesos que bloqueen el flujo de iones de litio. Nuestro objetivo es mantener las características de alto rendimiento del electrolito sólido y los materiales del cátodo. Queremos usar estos materiales juntos sin sacrificar su rendimiento por compatibilidad.”

Todo esto puede sonar demasiado técnico, pero hay una perspectiva más sencilla para entender el logro de la investigación.

Haga clic aquí para conocer un avance en baterías que acerca un paso más a la realidad a las variantes de estado sólido.

Abordando el problema del electrolito líquido

Las baterías de iones de litio dependen de electrolitos líquidos, que pueden incendiarse si se dañan o sobrecalientan. Los investigadores de la Universidad de Missouri abordaron este problema desarrollando técnicas eficientes para reemplazar los electrolitos líquidos o en gel por electrolitos sólidos.

Al explicar cómo funciona su solución, el profesor asistente Matthias Young, que tiene nombramientos conjuntos en la Facultad de Ingeniería y la Facultad de Artes y Ciencias de Mizzou, dijo:

“Cuando el electrolito sólido toca el cátodo, reacciona y forma una capa de interfase de aproximadamente 100 nanómetros de espesor — 1 000 veces más delgada que el ancho de un solo cabello humano. Esta capa bloquea el paso fácil de iones de litio y electrones, aumentando la resistencia y perjudicando el rendimiento de la batería.”

El avance más significativo

El logro más importante del equipo de investigación, sin embargo, fue su uso de microscopía electrónica de transmisión de escaneo cuadridimensional (4D STEM). Lo revolucionario fue que pudieron examinar la estructura atómica de la batería sin desensamblarla, lo que les permitió obtener una comprensión fundamental de las reacciones químicas internas y determinar el alcance del daño que la capa de interfase causaba. 

Desde la perspectiva de los potenciales usuarios de estas baterías, la investigación y sus implicaciones tienen un gran potencial. 

Beneficios reales esperados

Los fabricantes de automóviles a nivel mundial están entusiasmados con las baterías de estado sólido porque ofrecerán mayor seguridad y estabilidad térmica. La investigación que acabamos de discutir es un avance en esa dirección — un paso inmensamente significativo. Además, la investigación podría conducir a mejoras en la seguridad, el rendimiento, la vida útil de las baterías, el costo y su impacto ambiental. 

Los científicos de baterías de todo el mundo son optimistas de que la nueva generación de baterías de estado sólido, que surgirá como resultado de investigaciones como esta, superará eventualmente dos limitaciones clave de los iones de litio convencionales. Los cátodos ricos en níquel permitirán a la industria de baterías usar menos cobalto en el cátodo. En segundo lugar, las químicas de estado sólido permitirán a los fabricantes de baterías usar metal de litio en el ánodo.

El primer factor es crucial para el crecimiento de este sector porque el cobalto es escaso, caro y difícil de extraer. Proviene de países con leyes mineras débiles. Los investigadores creen que el alcance del uso de litio en el ánodo es significativo porque aumenta la densidad energética y promueve la seguridad.

Hablando sobre el uso de metal de litio, Helena Braga, profesora asociada de física de la ingeniería en la Universidad de Oporto en Portugal y reconocida investigadora que trabajó con el Premio Nobel de John Goodenough en baterías de estado sólido hace una década, dijo:

“Por eso iniciamos este (de estado sólido) viaje en primer lugar, para poder usar metal de litio.”

En conjunto, esta tecnología y la técnica basada en investigación pueden conducir a diseños de baterías mejorados con mayor rendimiento y seguridad, potencialmente impactando la electrónica de consumo y los vehículos eléctricos en 3‑7 años.​

Sin embargo, el valor real de dicha investigación dependerá de cuán exitosamente las empresas y negocios que fabrican baterías de estado sólido la adopten y la escalen. En el segmento siguiente, discutimos una de esas compañías, Solid Power, Inc. (SLDP ), que se especializa en tecnología de baterías totalmente de estado sólido, enfocándose en soluciones de almacenamiento de energía más seguras y eficientes.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power se posiciona como proveedor de tecnología de celdas de batería totalmente de estado sólido que ofrece mejoras clave sobre la tecnología de iones de litio basada en líquidos convencional y las celdas híbridas de próxima generación, incluyendo alta energía, mayor seguridad, mayor vida útil y ahorro de costos. 

Las baterías de Solid Power permiten el uso de electrodos de mayor capacidad como silicio de alto contenido y metal de litio para lograr un rendimiento de alta energía. Se vuelven más seguras al eliminar la necesidad de los componentes líquidos y en gel reactivos y volátiles. Como resultado, pueden soportar y operar en temperaturas extremadamente altas. La compañía cree que sus baterías pueden ofrecer una ventaja de costo del 15‑35 % sobre los iones de litio existentes a nivel de paquete. 

En los próximos segmentos, discutimos las tres variedades de baterías de estado sólido de Solid Power. 

Celda EV de Silicio 

Estas celdas cuentan con un ánodo de silicio de alto contenido que brinda altas tasas de carga y capacidades a menores temperaturas. Estas baterías están alimentadas por los electrolitos sólidos basados en sulfuro patentados de la compañía. Finalmente, su cátodo NMC es estándar en la industria y comercialmente maduro. 

Metal de Litio

Las baterías Solid Power Metal de Litio incluyen litio metálico y un ánodo de alta energía. Esta categoría de baterías también está alimentada por los electrolitos sólidos basados en sulfuro patentados de Solid Power y cátodos NMC estándar en la industria y comercialmente maduros. 

Celda de Reacción de Conversión 

Finalmente, llegamos a la categoría de celdas de reacción de conversión, que incluyen litio metálico, ánodo de alta energía, electrolitos sólidos basados en sulfuro de ultra bajo costo y cátodo tipo conversión de alta energía específica. 

La tecnología de baterías de Solid Power tiene electrolitos sólidos basados en sulfuro como una de sus bases más formidables. La tecnología asegura la eliminación completa del electrolito líquido inflamable y la capa separadora de polímero en una batería tradicional de iones de litio y la reemplaza con una capa sólida que, a pesar de ser delgada, actúa como barrera para evitar que el ánodo y el cátodo se toquen, lo que cortocircuitaría la batería. También funciona como electrolito conductor. El electrolito sólido basado en sulfuro de Solid Power ofrece la mejor combinación de conductividad, manufacturabilidad y rendimiento a nivel de celda. 

La tecnología central de electrolitos sólidos basados en sulfuro de Solid Power utiliza materiales abundantes en la Tierra. La compañía espera escalar su producción de electrolitos para alimentar 800 000 vehículos electrificados mediante sus celdas de batería totalmente de estado sólido anualmente para 2028.

SLDP: Últimas Actualizaciones

En diciembre de 2024, Solid Power anunció la extensión de su asociación con Ford hasta 2025. La tercera enmienda al acuerdo de desarrollo conjunto reflejó el compromiso continuo entre Solid Power y Ford para impulsar los límites del rendimiento de baterías de vehículos eléctricos. 

Los informes citaron la extensión de la asociación como un paso significativo para el trabajo de Solid Power hacia la comercialización de su tecnología de baterías de estado sólido. La asociación ampliada con Ford, un fabricante automotriz global líder, subrayó el impacto potencial de la tecnología de Solid Power en la industria automotriz.

En enero de 2025, la compañía celebró un acuerdo financiero significativo con el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). La empresa anunció que había asegurado hasta 50 millones de dólares en financiación para mejorar sus capacidades de producción de material de electrolito sólido basado en sulfuro, esencial para baterías de próxima generación.

La financiación formó parte de un Acuerdo de Asistencia con fecha de vigencia el 1 de enero de 2025, que estipuló que Solid Power contribuiría con 60 millones de dólares de sus fondos como parte del arreglo de cofinanciación. La inversión estaba destinada a apoyar la instalación de equipos necesarios para la producción continua, lo que se espera que refuerce la escala de fabricación de la compañía.

Como parte del acuerdo, Solid Power estuvo obligada a cumplir con requisitos específicos de reporte y obligaciones de cumplimiento. El apoyo del DOE subrayó la importancia de avanzar la tecnología de baterías para el almacenamiento de energía y los vehículos eléctricos, sectores críticos para la transición a una economía baja en carbono.

La asociación de la compañía con el DOE fue un paso estratégico para acelerar la comercialización de baterías de estado sólido, que prometen mayor densidad energética, mayor seguridad y mayor vida útil en comparación con las baterías convencionales de iones de litio.

En el frente financiero, Solid Power entregó 20,1 millones de dólares en ingresos durante 2024, un aumento de 2,7 millones respecto a 2023. Los gastos operativos fueron de 125,5 millones de dólares en 2024, frente a 108,0 millones en 2023, impulsados por mayores costos de investigación y desarrollo para mejorar el rendimiento de su electrolito y diseños de celdas, producción de electrolitos, compras de equipos que respaldan los acuerdos con SK On y la ampliación de operaciones, incluida la creación de operaciones en Corea. La pérdida operativa para 2024 fue de 105,3 millones de dólares, mientras que la pérdida neta fue de 96,5 millones de dólares, o 0,54 dólares por acción.

“En 2025, Solid Power continuará impulsando el desarrollo de la tecnología ASSB mejorando el rendimiento del electrolito mediante la retroalimentación de nuestro equipo de desarrollo de celdas, cumpliendo con los requisitos de los socios y las solicitudes de los clientes, continuando la innovación tanto en tecnologías de electrolitos como de celdas, y manteniendo la disciplina financiera mientras invertimos estratégicamente en desarrollo y capacidades.”

– John Van Scoter, Presidente y Director Ejecutivo de Solid Power

Batería de Estado Sólido: Mirando al Futuro

El futuro de las baterías de estado sólido parece emocionante, repleto de potencial de innovación. En 2024, por ejemplo, investigadores de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desarrollaron una nueva batería de metal de litio que podría cargarse y descargarse al menos 6 000 veces — más que cualquier otra celda de batería tipo pouch — y podría recargarse en cuestión de minutos.

Según Xin Li, Profesor Asociado de Ciencia de Materiales en SEAS y autor principal del artículo que detalla la investigación y se publicó en Nature Materials:

“Las baterías con ánodo de metal de litio se consideran el santo grial de las baterías porque tienen diez veces la capacidad de los ánodos de grafito comerciales y podrían aumentar drásticamente la distancia de conducción de los vehículos eléctricos.”

En su investigación, Li y su equipo detuvieron la formación de dendritas usando partículas de silicio de tamaño micrónico en el ánodo para constriñir la reacción de litio y facilitar el recubrimiento homogéneo de una capa gruesa de metal de litio. Cuando los iones de litio se movieron del cátodo al ánodo durante la carga, la reacción de litio se constriñó en la superficie superficial, y los iones se adhirieron a la superficie de la partícula de silicio sin penetrar más. 

“En nuestro diseño, el metal de litio se envuelve alrededor de la partícula de silicio, como una dura cáscara de chocolate alrededor del núcleo de avellana en una trufa de chocolate.”

– Li

Las partículas recubiertas formaron una superficie homogénea, asegurando una distribución uniforme de la densidad de corriente y evitando el crecimiento de dendritas. Y debido a que el recubrimiento y el despojo podían ocurrir rápidamente en una superficie uniforme, la batería podía recargarse en solo unos 10 minutos. 

Los investigadores desarrollaron una versión de celda tipo pouch del tamaño de un sello postal, 10 a 20 veces más grande que la celda de moneda fabricada en la mayoría de los laboratorios universitarios. La batería retuvo el 80 % de su capacidad después de 6 000 ciclos, superando a otras baterías tipo pouch de la misma categoría. En el proceso, los investigadores revelaron decenas de otros materiales que potencialmente podrían ofrecer un rendimiento similar. Según Li:

“Investigaciones previas habían encontrado que otros materiales, incluido la plata, podrían servir como buenos materiales en el ánodo para baterías de estado sólido.”

Para hacer el proceso universal, un equipo de investigadores publicó un artículo sobre benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance². Los investigadores observaron que la comparabilidad interlaboratorio y la reproducibilidad del rendimiento de ciclado de celdas de baterías de estado sólido estaban poco comprendidas debido a la falta de configuraciones y parámetros de ensamblaje estandarizados.

Los investigadores sugirieron un conjunto de parámetros para informar los resultados de ciclado de baterías de estado sólido y abogaron por reportar los datos en triplicado. Por ejemplo, un voltaje de circuito abierto inicial de 2,5 y 2,7 V vs. Li⁺/Li fue un buen predictor de ciclado exitoso para celdas que usan estos materiales electroactivos.

La estandarización de la fabricación de baterías de estado sólido es crucial porque su usabilidad es diversa. Mientras los fabricantes de vehículos eléctricos están entre los más interesados en desarrollar baterías de estado sólido eficientes, incluso los investigadores de la NASA reportaron avances en el desarrollo de un paquete de batería innovador que era más ligero, más seguro y rendía mejor que las baterías comúnmente usadas en vehículos y grandes dispositivos electrónicos hoy en día. 

Los investigadores de la NASA experimentaron con materiales nuevos e innovadores que no se habían usado antes en baterías. El equipo se dio cuenta temprano de que la arquitectura de estado sólido les permitía cambiar la construcción y el empaquetado de la batería, reduciendo el peso mientras aumentaban la capacidad de almacenamiento de energía. Demostraron que las baterías de estado sólido podrían alimentar objetos con una enorme capacidad de 500 vatios‑hora por kilogramo—el doble que un coche eléctrico.

“No solo este diseño elimina del 30 al 40 % del peso de la batería, sino que también nos permite duplicar o incluso triplicar la energía que puede almacenar, superando con creces las capacidades de las baterías de iones de litio que se consideran de última generación.”

– Rocco Viggiano, investigador principal de SABERS

SABERS es un acrónimo de la actividad designada por la NASA, ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety’.

Como su nombre indica, el futuro de las baterías de estado sólido prosperará en estos aspectos de recarga rápida y seguridad. Los fabricantes buscarán cada vez más desarrollar baterías que se recarguen más rápido sin que el proceso sea inseguro.

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