Què són les bateries flexibles d'estat sòlid?

Un grup de científics internacionals ha desenvolupat un nou tipus de bateria d'estat sòlid que podria augmentar l'autonomia dels vehicles elèctrics i evitar incendis en ordinadors portàtils i telèfons intel·ligents. Els autors descriuen les seves troballes a Advanced Energy Materials. En substituir els electròlits líquids utilitzats en les bateries recarregables convencionals per altres de ceràmica "sòlids", són capaços de produir bateries més efectives i de llarga durada que també són més segures per al seu ús. Els investigadors esperen que aquests avantatges puguin obrir el camí a bateries més eficients i ecològiques per a tot tipus de dispositius, inclosos els cotxes elèctrics.

Els autors de l'estudi, dels Estats Units i el Regne Unit, porten temps explorant alternatives als electròlits líquids a les bateries d'ions de liti. El 2016 van anunciar el desenvolupament d'una bateria d'estat sòlid que podria funcionar a més del doble de la tensió de les cèl·lules d'ions de liti convencionals, però amb una eficiència similar.

Tot i que el seu darrer disseny representa una millora significativa en aquesta versió anterior, l'investigador professor Donald Sadoway del MIT assenyala que encara hi ha marge de millora: "Aconseguir una alta conductivitat iònica en materials ceràmics a temperatures elevades pot ser difícil", va explicar. "Aquest va ser un gran èxit". Els investigadors esperen que, després de provar aquestes bateries millorades, resultin adequades per a vehicles elèctrics o fins i tot per alimentar avions.

En les bateries d'estat sòlid, s'evita el dany causat pel sobreescalfament utilitzant electròlits ceràmics en comptes d'inflamables i líquids. Si la bateria està danyada i comença a sobreescalfar-se, els carbonis de l'electròlit ceràmic en lloc d'encendre's, la qual cosa evita que s'encén. Els porus de l'estructura d'aquests materials sòlids també els permeten portar una càrrega elèctrica molt més gran amb ions que es mouen a través d'una xarxa estesa dins del sòlid.

Aquestes característiques signifiquen que els científics han pogut augmentar tant el voltatge com la capacitat de les seves bateries en comparació amb les que contenen electròlits líquids inflamables. De fet, va dir el professor Sadoway: "Hem demostrat una cèl·lula de liti-aire amb 12 volts que funciona a 90 graus C [194 °F]. Això és més alt del que ningú ha aconseguit".

Aquest nou disseny de bateria té altres avantatges potencials respecte als electròlits inflamables, inclòs el fet que els electròlits ceràmics són generalment més estables que els orgànics. "El més sorprenent és el bé que va funcionar", va dir el professor Sadoway. "Hem extret més energia d'aquesta cèl·lula de la que hi posem".

Aquesta estabilitat podria permetre als fabricants empaquetar un gran nombre de cèl·lules d'estat sòlid en ordinadors portàtils o cotxes elèctrics sense haver de preocupar-se del sobreescalfament, fent que els dispositius siguin molt més segurs i allargant la seva vida funcional. Actualment, si aquest tipus de bateries es sobreescalfen, corren el risc d'incendiar-se, com va passar recentment amb el telèfon Samsung Galaxy Note 7. Les flames resultants no es podrien propagar perquè no hi ha aire dins de les cèl·lules per mantenir la combustió; de fet, no podrien propagar-se més enllà del lloc dels danys inicials.

Aquests materials sòlids també són molt duradors; en canvi, alguns intents de fabricar bateries d'ions de liti amb electròlits líquids inflamables, que operen a temperatures més altes (més de 100 °C) s'encenden habitualment després de 500 o 600 cicles. Els electròlits ceràmics poden suportar més de 7500 cicles de càrrega/descàrrega sense incendiar-se".

Les noves troballes podrien ser molt significatives tant per ampliar la gamma de vehicles elèctrics com per prevenir incendis de telèfons intel·ligents. Segons Sadoway: "Les generacions més antigues de bateries tenien bateries d'arrencada [de cotxes] amb àcid de plom. Tenien un abast curt, però eren increïblement fiables", va dir i va afegir que la seva debilitat imprevista era que "si feia més calor d'uns 60 °C, llavors prendria foc".

Les bateries de ions de liti actuals, explica, són un pas més que això. "Tenen un llarg abast, però es poden danyar per un sobreescalfament greu i un incendi", va dir i va afegir que la nova bateria d'estat sòlid és potencialment un "avenç fonamental" perquè podria donar lloc a dispositius molt més fiables i segurs.

Els científics del MIT creuen que aquesta tecnologia podria trigar cinc anys a ser àmpliament utilitzada, però fins i tot l'any vinent esperen veure aquest tipus de bateries instal·lades en telèfons intel·ligents de grans fabricants com Samsung o Apple. També van assenyalar que hi ha molts usos comercials per a aquestes cèl·lules a més dels telèfons, inclosos els ordinadors portàtils i els vehicles elèctrics.

Tanmateix, el professor Sadoway adverteix que encara queda camí per recórrer abans que la tecnologia es perfeccioni. "Tenim una cèl·lula que sembla realment excel·lent, però és molt primerenc... Encara hem de fer cèl·lules amb elèctrodes a gran escala i d'alta densitat de potència".

Sadoway creu que aquest avenç s'adoptarà àmpliament immediatament perquè té el potencial no només d'alimentar els vehicles elèctrics amb un abast molt més gran, sinó que també pot prevenir els incendis dels telèfons intel·ligents. Potser més sorprenent és la seva predicció que les bateries d'estat sòlid es podrien utilitzar universalment en menys de cinc anys un cop la majoria dels fabricants estiguin convençuts de la seva seguretat i fiabilitat.