El enfoque de fabricación ‘frío’ resuelve el desafío de fabricación para baterías de estado sólido
Los investigadores de Penn State, incluido el estudiante graduado Tai-Wei Wang, en la foto, publicaron recientemente su trabajo investigando la aplicación de una técnica de fabricación avanzada en la creación de baterías. Crédito: Hongtao Sun
Las baterías de iones de litio han sido un elemento básico en la fabricación de dispositivos durante años, pero los electrolitos líquidos en los que dependen para funcionar son bastante inestables, lo que lleva a los riesgos de incendio y las preocupaciones de seguridad. Ahora, los investigadores de Penn State están buscando una solución de almacenamiento de energía alternativa confiable para su uso en computadoras portátiles, teléfonos y vehículos eléctricos: electrolitos de estado sólido (SSE).
Según Hongtao Sun, profesor asistente de ingeniería industrial y de fabricación, baterías de estado sólido, que usan SSE en lugar de electrolitos líquidos, son una alternativa líder a las baterías tradicionales de iones de litio. Explicó que aunque existen diferencias clave, las baterías funcionan de manera similar a un nivel fundamental.
“Las baterías recargables contienen dos electrodos internos: un ánodo en un lado y un cátodo en el otro”, dijo Sun. “Los electrolitos sirven como un puente entre estos dos electrodos, proporcionando un transporte rápido para la conductividad. Las baterías de iones de litio utilizan electrolitos líquidos, mientras que las baterías de estado sólido usan SSE”.
Las baterías de estado sólido ofrecen una mejor estabilidad y seguridad en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio, pero enfrentan varios desafíos de fabricación y conductividad, explicó Sun. Por ejemplo, las altas temperaturas introducidas en el proceso de fabricación, especialmente con las SSE a base de cerámica, pueden obstaculizar su producción e implementación práctica.
Para superar este desafío, Sun y su equipo utilizaron una técnica conocida como sinterización en frío, un proceso donde los materiales en polvo se calientan, se tratan con un disolvente líquido y se comprimen en una forma más densa, para incorporar un SSE compuesto de polímero de cerámica altamente conductivo conocido como LATP-PILG. El método se conoce como “frío” porque funciona a temperaturas de procesamiento significativamente más bajas que la sinterización tradicional, en lugar de depender de la presión aplicada y una pequeña cantidad de solvente líquido para completar el proceso.
El trabajo se publica en la revista Materials Today Energy.
El proceso de sinterización en frío implica tomar una pequeña cantidad de material de polvo, cargado en el centro del sistema y usar una combinación de calor, presión y solvente líquido para crear un material a granel denso para su uso en SSE. Crédito: Hongtao Sun
Los SSE tradicionales a base de cerámica se componen típicamente de granos policristalinos, materiales compuestos por cientos de pequeños cristales, separados por los límites de grano. Según Sun, estos límites de grano se consideran defectos que obstaculizan el transporte de iones conductores. Para reducir la pérdida de conducción en las SSE a base de cerámica, el equipo de Sun co-sinteró un gel líquido poliódico (PILG) con cerámica LATP para formar un SSE compuesto de polímero en cerámica, un material ideal para su uso debido a su estabilidad y alta conductividad.
El PILG actúa como un “límite de grano” altamente conductivo en el SSE, facilitando el transporte de iones a través de límites de ingeniería en lugar de a través de interfaces naturales propensas a defectos. Sun dijo que el equipo inicialmente intentó usar la sinterización tradicional de alta temperatura para desarrollar sus nuevos SSE, pero inmediatamente tuvieron problemas.
“Uno de los desafíos de fabricación de los SSE compuestos basados en LATP es que la temperatura de sinterización para la cerámica es muy alta, hasta el punto de que la sinterización tradicional realmente quemaría cualquier aditivo como el compuesto de polímero antes de que la cerámica se pueda densificar adecuadamente”, dijo Sun. “Es por eso que tuvimos que implementar la sinterización de frío, para mantener las temperaturas mucho más bajas”.
La tecnología de sinterización de frío se desarrolló originalmente en 2016 a través de un proyecto de investigación dirigido por Clive Randall, director del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State y profesor distinguido de ciencia e ingeniería de materiales. Su aplicación para desarrollar baterías de estado sólido se produjo en 2018, cuando un erudito postdoctoral en el laboratorio de Enrique Gómez, profesor de ingeniería química y decano asociado interino de equidad e inclusión para la Facultad de Ingeniería de Electrolitos compuestos de cerámica sinterizados fríos.
Según Sun, la sinterización tradicional requiere temperaturas alrededor del 80% del punto de fusión del material, que para compuestos de cerámica como LATP puede alcanzar fácilmente de 900 a 1,000 grados Celsius.
“Para esta aplicación, pudimos mantener nuestras temperaturas de sinterización muy bajas, alrededor de 150 grados centígrados”, dijo Sun. “Esto nos permite integrar diferentes tipos de materiales en una forma muy densa utilizando el proceso de sinterización de frío, independientemente de sus distintas temperaturas de procesamiento”.
Al sinterizar la cerámica LATP con Gel Pilg, el equipo de Sun desarrolló SSE compuestos con alta conductividad iónica a temperatura ambiente, entre otras fortalezas.
“Además de una conductividad mejorada, nuestro SSE compuesto de polímero en cerámica mostró una ventana de voltaje muy amplia, entre 0 y 5.5 voltios”, dijo Sun, explicando que los electrolitos líquidos tradicionales tienen una ventana de 0 a 4 voltios. “La gran ventana de voltaje de nuestra SSS cerámica admite el uso de cátodos de alto voltaje, lo que permite que la batería genere más energía en general”.
Para Sun, las aplicaciones de esta tecnología de sinterización fría pueden algún día ir más allá de mejorar las baterías. Dijo que cree que la sinterización en frío tiene grandes implicaciones sobre cómo las empresas se acercan al uso de materiales compuestos de cerámica en la fabricación general, así como en industrias más específicas como la fabricación de semiconductores.
“Nuestro próximo objetivo es desarrollar un sistema de fabricación sostenible que respalde la producción y la reciclabilidad a gran escala, ya que esa será la clave para las aplicaciones industriales para esta tecnología”, dijo Sun. “Esa es la gran visión para la que esperamos trabajar en los próximos años”.
Además de Sun, los coautores incluyen a Ta-Wei Wang, Seok Woo Lee y Juchen Zhang, estudiantes de doctorado de Penn State en ingeniería industrial y de fabricación, y Bo nie, ex alumno del Programa de Graduados de Ingeniería Industrial y de Manufactura de Penn State.
Más información: Bo Nie et al, sondeando interfaces reguladas por sinterización en frío e integración de electrolitos de estado sólido de polímero en cerámica, materiales de hoy (2025). Doi: 10.1016/j.mtener.2025.101829
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
Cita: el enfoque de fabricación ‘Cold’ resuelve el desafío de fabricación para baterías de estado sólido (2025, 24 de abril) Recuperado el 24 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-cold-pacroach-fabrication-solid-state.html
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