Científicos del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos (ARL) y de la Universidad de Brown trabajan en el campo de las baterías de los equipos GPS, teléfonos móviles, portátiles de campo y otras tecnologías del combatiente, incluyendo robots para desarrollar soluciones que amplíen su duración.
Los investigadores están tratando de abordar la dificultad de caracterizar y luego diseñar la capa de interfase electrolítica sólida o SEI que se forma en el ánodo de las baterías de iones de litio, con especial énfasis en ánodos experimentales de silicio con muy altas capacidades de litio.
«Queremos aumentar el voltaje de las baterías Li-ion «, dijo el Dr. Arthur von Wald Cresce, investigador en la rama de electroquímica del ARL.
El Ejército pretende reemplazar todas las baterías alcalinas y de hidruro de níquel por baterías de iones de litio o Li-ion, que proporcionan mejor densidad de energía que cualquier tipo de batería comercial. Esto significa que las baterías del Li-ion potenciarán toda las comunicaciones y GPS del soldado.
«El Ejército está desarrollando vehículos híbridos para su uso en el campo de batalla y eso significa que también usarán baterías de iones de litio. También, ciertas aplicaciones de alta energía que se están desarrollando, como las corazas reactivas y armas de energía dirigida parecen adecuadas para ser potenciadas por baterías de iones de litio, dijo Cresce.
Por otra parte, está interesado en la investigación del SEI para baterías Li-ion porque el SEI determina si una batería se reciclará o si las reacciones secundarias dañinas consumirán los componentes del electrolito, dijo. El SEI es una capa sólida formada por la descomposición de los componentes líquidos del electrolito. Si es un electrolito, significa que permitirá que el Li + se mueva mientras sigue siendo un aislante eléctrico. Y formará una nueva fase material entre el electrodo sólido y el electrolito líquido.
Los investigadores también quieren hacer que el SEI sea lo más delgado posible, de modo que Li + pueda moverse rápidamente. El proceso de ingeniería requiere estudios químicos y materiales fundamentales de la SEI y de los materiales de la batería para determinar exactamente qué propiedades son importantes y cómo afectarlas.
Bajo el acuerdo de investigación, la Universidad de Brown proporcionará experiencia en el análisis de cierta microscopía de fuerza atómica, o AFM, análisis de datos, y proporcionar herramientas sintéticas y materias primas para hacer los nanocables de silicio y otras estructuras depositadas para ser analizados. ARL proporcionará electrolitos de última generación que se utilizarán para la parte in situ de los estudios de microscopía de fuerza atómica y acceso a sus herramientas analíticas, incluyendo el AFM in situ, el espectrómetro Raman, el fotoelectrón de rayos X Espectroscopia y espectrómetros infrarrojos. ARL también proporcionará experiencia en la preparación de muestras in situ de AFM y otros tipos de análisis superficial.
La Universidad de Brown es un buen socio para la investigación dada su experiencia específica en la técnica de microscopía de fuerza atómica y a que ha refinado varias técnicas interesantes que analizan las propiedades mecánicas de las superficies usando el microscopio atómico, dijo Cresce.
Nuevo para la investigación de la batería, el equipo de Brown es bien conocido por el desarrollo de estas técnicas y es un gran beneficio para ARL para aprovechar su experiencia. Esperamos trabajar con ellos para aprender más sobre el SEI que se forma en la superficie de los ánodos de silicio y estaño, que cambian sus dimensiones significativamente a medida que la batería carga y descarga. En esos casos, el SEI debe «respirar» y moverse con la superficie del electrodo; de lo contrario se agrietará y fracasará como una capa protectora.
El ARL ha tenido algunos éxitos clave de gran impacto en las baterías de Li-ion como la inclusión de aditivos modificadores de SEI y un sistema de electrolitos de Li-ion de base acuosa que se basa en un fluoruro de litio SEI. El ARL sintetizó muchos compuestos para modificar la química de la capa SEI. Un compuesto, un isopropóxido de fosfato fluorado llamado HFiPP, ha sido tenido éxito en muchos tipos de baterías del Li-ion para mejorar el funcionamiento de la batería con la modificación de SEI.
«Muchos grupos externos usan HFiPP como parte de su formulación estándar de electrolitos de investigación debido a sus beneficios para la longevidad de la batería de Li-ion de alto voltaje», dijo.
«El otro éxito, nuestro electrolito de iones de litio basado en agua, es casi totalmente dependiente de la formación de una capa impenetrable de SEI de fluoruro de litio para funcionar. La ventaja de un electrolito a base de agua es que una batería de Li-ion no sería Inflamables, eliminando la preocupación por los incendios. En el caso del electrolito a base de agua, estamos trabajando duro para caracterizar completamente la capa SEI, y estamos en una carrera para descubrir cómo fabricar esta capa en ciertos electrodos como el carbono o el metal de litio, lo que nos permitiría tener una batería de iones de litio acuosa de 4+ voltios. »
«La idea no es cambiar rendimiento por seguridad; una batería de iones de litio de 4+ voltios sería tan buena como una batería comercial de alta calidad de iones de litio, pero esa batería nunca se incendiaría».
Fte.: US Army
