La batería de vidrio es un tipo de batería de estado sólido . Utiliza un electrolito de vidrio y electrodos de metal de litio o sodio . [1] [2] [3] [4] [5] La batería fue inventada por John B. Goodenough , inventor de los materiales de electrodo de óxido de cobalto de litio y fosfato de hierro y litio utilizados en la batería de iones de litio (Li-ion), y Maria H. Braga , profesora asociada de la Universidad de Oporto [6] e investigadora principal de la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas . [1] [3]
El artículo que describe la batería se publicó en Energy & Environmental Science en diciembre de 2016; [7] Desde entonces también se han publicado varios trabajos de seguimiento. [8] Hydro-Québec está investigando la batería para una posible producción. [9]
En septiembre de 2016, la Universidad Estatal de Iowa recibió 1,6 millones de dólares para desarrollar nuevos electrolitos sólidos vítreos conductores de iones de litio. [10] En agosto de 2019, se anunció que el Departamento de Energía de los Estados Unidos concedió a GM 2 millones de dólares para la investigación de la "comprensión fundamental de los fenómenos interfaciales en baterías de estado sólido" y el "prensado en caliente de baterías totalmente sólidas reforzadas". baterías estatales con electrolito de vidrio sulfurado." [11]
La publicación inicial en diciembre de 2016 fue recibida con considerable escepticismo por parte de otros investigadores en tecnología de baterías, y varios señalaron que no está claro cómo se obtiene el voltaje de la batería dado que existe litio o sodio metálico puro en ambos electrodos, lo que no debería producir una diferencia en potencial electroquímico y por lo tanto no dan voltaje a la celda . [4] Por lo tanto, cualquier energía almacenada o liberada por la batería violaría la primera ley de la termodinámica . Sin embargo, la gran reputación de Goodenough fue suficiente para disuadir las críticas más fuertes, y Daniel Steingart de la Universidad de Princeton comentó: "Si alguien que no fuera Goodenough publicara esto, sería difícil encontrar una palabra cortés". [4] Steinart y Venkat Viswanathan de la Universidad Carnegie Mellon publicaron un comentario formal en Energía y Ciencias Ambientales . [12]
Goodenough respondió al escepticismo, afirmando: "La respuesta es que si el litio recubierto en el colector de corriente catódico es lo suficientemente delgado como para que su reacción con el colector de corriente reduzca su energía de Fermi a la del colector de corriente, la energía de Fermi del colector de corriente El ánodo de litio es más alto que el del fino revestimiento de litio en el colector de corriente del cátodo". Goodenough continuó diciendo en una entrevista posterior con Slashdot que el litio recubierto en el cátodo tiene "del orden de una micra de espesor". [13]
La respuesta de Goodenough ha suscitado un mayor escepticismo por parte de Daniel Steingart y también de Matthew Lacey de la Universidad de Uppsala , quienes señalan que este efecto de deposición de bajo potencial sólo se conoce en capas extremadamente delgadas ( monocapas ) de materiales. [14] [15] Lacey también señala que la publicación original no menciona un límite para el espesor del litio recubierto en el cátodo, sino que afirma lo contrario: que la capacidad de la celda está "determinada por la cantidad de metal alcalino". utilizado como ánodo". [7]
La batería, como se informa en la publicación original, [7] se construye utilizando un metal alcalino ( lámina de litio o sodio ) como electrodo negativo (ánodo) y una mezcla de carbono y un componente activo redox, como electrodo positivo (cátodo). ). La mezcla catódica se recubre sobre una lámina de cobre . El componente activo redox es azufre , ferroceno o dióxido de manganeso . El electrolito es un vidrio altamente conductor formado a partir de hidróxido de litio y cloruro de litio y dopado con bario , lo que permite una carga rápida de la batería sin la formación de dendritas metálicas . [2]
La publicación indica que la batería funciona durante la descarga quitando el metal alcalino del ánodo y volviéndolo a depositar en el cátodo, con el voltaje de la batería determinado por el componente activo redox y la capacidad de la batería determinada por la cantidad de ánodo de metal alcalino. . Este mecanismo operativo es radicalmente diferente del mecanismo de inserción ( intercalación ) de la mayoría de los materiales de baterías de iones de litio convencionales.
En 2018, la mayoría de los mismos autores describieron una nueva versión en el Journal of the American Chemical Society , en la que el cátodo está recubierto con una solución plastificante especial para evitar el agrietamiento de la interfaz a medida que diferentes materiales se expanden a diferentes velocidades. Braga dice que la nueva batería tiene el doble de densidad de energía que las baterías de iones de litio convencionales y se puede recargar 23.000 veces. [16] [17] [18] Los críticos señalaron varias afirmaciones extraordinarias en el artículo, como una constante dieléctrica relativa récord ; quizás más alto que cualquier material registrado, y un aumento en la capacitancia de la batería durante muchos ciclos de carga, en lugar de una disminución como suele ser el caso con todas las demás tecnologías de baterías. [18] [17] El documento tampoco dejaba claro si la batería podría mantener su carga después de desenchufarla, lo que aclararía si realmente se trata de una nueva tecnología de batería o simplemente de un condensador. [18] Braga respondió a las críticas diciendo: "Los datos son datos, y tenemos datos similares de muchas células diferentes, en cuatro instrumentos diferentes, laboratorios diferentes, guanteras. Y al final del día, los LED se encienden durante días con una cantidad muy pequeña de material activo después de haber realizado más de 23.000 ciclos". [18] [17]
Braga y Goodenough declararon que esperan que la batería tenga una densidad de energía muchas veces mayor que las baterías de iones de litio actuales, así como un rango de temperatura de funcionamiento de hasta -20 °C (-4 °F); mucho más bajo que las baterías de estado sólido actuales. [1] [4] [3] [7] También se afirma que el electrolito tiene una amplia ventana electroquímica . [19] El diseño de la batería es más seguro que el de las baterías de iones de litio, ya que se evita el uso de un electrolito líquido inflamable. [2] [3] La batería también se puede fabricar con sodio de bajo costo en lugar de litio. [2]
Los autores afirman que la batería tiene un tiempo de carga mucho más corto que las baterías de iones de litio: en minutos en lugar de horas. Los autores también afirman que probaron la estabilidad de la interfaz metal alcalino/electrolito durante 1200 ciclos de carga con baja resistencia de celda; [1] la especificación para las baterías de iones de litio suele ser inferior a mil. [20] [21]