Resumen:
Los investigadores están intentando tomar prestada tecnología de la fabricación de chips semiconductores para resolver desafíos de larga data en la fabricación y el rendimiento de las baterías de vehículos eléctricos de próxima generación. Al aplicar métodos de procesamiento de precisión utilizados originalmente para fabricar componentes microelectrónicos a los materiales de las baterías, los científicos esperan crear componentes de baterías más delgados, más uniformes y estructuralmente más estables, mejorando así aún más la resistencia, la velocidad de carga y la vida útil de las baterías de los vehículos eléctricos.
Después de décadas de desarrollo, las baterías tradicionales de iones de litio han logrado grandes avances en densidad de energía, costo y confiabilidad, pero es cada vez más difícil mejorar aún más el rendimiento. Al mismo tiempo, también están aumentando los requisitos para las baterías de los vehículos eléctricos. Los fabricantes de automóviles esperan que las baterías puedan almacenar más energía, soportar una carga más rápida y también deben tener mayor seguridad y vida útil más larga.
Por lo tanto, las baterías de estado sólido se consideran una de las direcciones importantes para la próxima generación de tecnología de baterías. A diferencia de las baterías tradicionales de iones de litio, que utilizan electrolitos líquidos, las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, que se espera que aumenten la densidad de energía y reduzcan el riesgo de fugas de electrolitos líquidos e incendios. En teoría, algunos diseños pueden alcanzar densidades de energía de alrededor de 500 Wh/kg, mientras que las baterías de iones de litio actuales que utilizan electrolitos líquidos suelen rondar los 300 Wh/kg.
Pero las baterías de estado sólido todavía enfrentan un problema muy espinoso cuando se trata de comercialización a gran escala: el material es demasiado frágil.
Durante el proceso de carga y descarga de la batería, los iones de litio continuarán moviéndose dentro del material del electrodo, lo que hará que el electrodo se expanda y contraiga repetidamente. A medida que aumenta el número de ciclos, pueden producirse espacios, grietas e incluso deformaciones entre diferentes materiales, lo que en última instancia dificulta el movimiento normal de los iones de litio y provoca que la capacidad de la batería y el rendimiento energético disminuyan gradualmente.
Por lo tanto, los investigadores comenzaron a buscar formas de controlar con mayor precisión la estructura interna de las baterías, y la tecnología de fabricación de semiconductores ha proporcionado un conjunto de herramientas maduras que pueden controlar la estructura del material a escala nanométrica después de décadas de desarrollo.
Una de las principales ventajas de la industria de fabricación de chips es la capacidad de crear estructuras muy regulares en escalas extremadamente pequeñas. Los transistores y las estructuras de interconexión en chips avanzados se han vuelto tan pequeños como nanómetros, y el proceso de fabricación requiere un control preciso de la deposición de materiales, el grabado, los patrones y las estructuras entre capas. Los investigadores esperan aplicar ideas similares a la fabricación de baterías y reducir los defectos que son difíciles de controlar en el proceso de fabricación tradicional mediante un diseño estructural más refinado de los materiales de las baterías.
Una de las direcciones clave es utilizar métodos similares al procesamiento de obleas semiconductoras para crear estructuras de capas delgadas en las baterías. A diferencia de la fabricación tradicional de baterías, que se basa principalmente en el recubrimiento, el prensado y el secado, el proceso de fabricación de chips puede formar una película a nanoescala altamente uniforme en la superficie del material y puede controlar con precisión la interfaz entre diferentes materiales.
Esta capacidad es especialmente importante para las baterías de estado sólido, porque la interfaz entre los materiales sólidos determina directamente si los iones de litio pueden pasar sin problemas. Si hay pequeñas grietas, huecos o distribución desigual del material en la interfaz, puede aumentar la resistencia a la transmisión de iones y reducir el rendimiento de la batería.
Los investigadores esperan utilizar tecnología de deposición de película delgada y micronanoprocesamiento en el campo de la fabricación de semiconductores para construir una estructura de electrodo y electrolito más uniforme dentro de la batería, reduciendo así la tensión mecánica generada durante la carga y descarga.
Esta idea no es simplemente trasladar un conjunto completo de líneas de producción de chips a la fábrica de baterías, sino seleccionar procesos y equipos adecuados para la fabricación de baterías. Debido a que existen enormes diferencias en materiales, tamaño y escala de producción entre baterías y chips, es probable que el costo de producir baterías utilizando enteramente métodos de fabricación de semiconductores sea inaceptablemente alto.
La solución con verdadera importancia comercial es utilizar los principios de micronano procesamiento que han sido probados por la industria de chips y rediseñar el proceso para que pueda adaptarse a la fabricación de gran superficie, alto rendimiento y bajo costo que requieren las baterías.
Este es uno de los principales desafíos que enfrentan actualmente los investigadores. Las obleas de chip suelen tener sólo decenas de centímetros o menos, mientras que el área de los electrodos de una batería de automóvil puede alcanzar varios metros cuadrados. La producción de baterías también requiere el procesamiento de grandes cantidades de materiales activos, por lo que cualquier proceso nuevo debe equilibrar la precisión a nanoescala con la eficiencia de producción a escala industrial.
Los investigadores creen que si se puede resolver este problema de ampliación, la experiencia acumulada durante décadas en la industria de fabricación de semiconductores puede proporcionar una nueva ruta técnica para la industria de las baterías.
Al mismo tiempo, los investigadores de baterías también están intentando mejorar las estructuras de los electrodos utilizando otras tecnologías de fabricación avanzadas. Por ejemplo, controlando con precisión la disposición de las partículas del material de los electrodos, se pueden retener suficientes canales iónicos al tiempo que se aumenta la proporción de materiales activos; Al controlar la estructura de los poros, el electrolito puede penetrar más uniformemente en el electrodo.
Para las baterías de estado sólido, la interfaz de control es especialmente crítica. Los electrolitos líquidos tradicionales pueden llenar los pequeños espacios entre los electrodos, mientras que los electrolitos sólidos no pueden fluir hacia estas áreas por sí solos como los líquidos. Por tanto, los electrodos y electrolitos deben estar en muy buen contacto durante la etapa de fabricación.
Las tecnologías de deposición de películas delgadas, tratamiento de superficies y patrones a nanoescala en la tecnología de fabricación de chips pueden ayudar a los investigadores a manejar estas interfaces con mayor precisión.
En la industria de las baterías se ha producido una transferencia de tecnología similar entre campos. En el pasado, algunas empresas de baterías han introducido equipos y procesos de las industrias de semiconductores, paneles de visualización y fabricación de películas finas de precisión, porque estas industrias también necesitan crear estructuras de capas finas extremadamente uniformes sobre sustratos de gran superficie.
Los investigadores también están prestando especial atención a los electrodos de material de silicio. En teoría, el silicio puede almacenar mucho más litio que el grafito, por lo que se considera un material importante para mejorar la densidad energética de las baterías de iones de litio. Sin embargo, el silicio sufre cambios de volumen muy significativos durante la carga y descarga, lo que puede provocar fácilmente que se rompa la estructura del electrodo.
Si el material de silicio puede diseñarse estructuralmente con mayor precisión mediante tecnología de micronanofabricación, puede reservar espacio para la expansión del material hasta cierto punto y mejorar la ruta de transmisión de electrones e iones de litio.
Esta idea significa que la fabricación de baterías en el futuro puede parecerse cada vez más a una "ingeniería de materiales" altamente sofisticada. El rendimiento de la batería ya no está determinado únicamente por las formulaciones químicas, sino también por la disposición de los materiales a nanoescala, la estructura de la interfaz y la distribución de los poros.
Los investigadores esperan lograr eventualmente una forma más precisa de fabricar baterías: controlar el espesor de cada capa de material, el contacto entre cada material y la trayectoria del movimiento de los iones a escala microscópica, manteniendo al mismo tiempo una eficiencia de producción suficientemente alta a escala macroscópica.
Si tiene éxito, este tipo de tecnología podría mejorar múltiples parámetros de la batería simultáneamente. Una estructura más uniforme puede reducir la resistencia interna y aumentar la velocidad de carga; una interfaz más estable puede reducir las grietas y el desprendimiento de material durante el ciclo, extendiendo así la vida útil de la batería; una mayor proporción de materiales activos tiene la oportunidad de aumentar la energía almacenada por unidad de peso.
Sin embargo, pasar de la tecnología de laboratorio a la industria automotriz todavía requiere un largo período de verificación. Las baterías de los vehículos eléctricos no sólo deben probarse cientos o incluso miles de veces en el laboratorio, sino que también deben poder soportar altas temperaturas, bajas temperaturas, vibraciones, colisiones y la tensión mecánica constante que se produce durante años de uso.
Más importante aún, cualquier nuevo proceso de fabricación debe, en última instancia, resultar competitivo en costos con las líneas de producción de baterías de iones de litio establecidas. La producción de baterías de automóviles es mucho mayor que la de la mayoría de los productos electrónicos de alta gama, por lo que incluso si una tecnología puede lograr una precisión nanométrica extremadamente alta, será difícil ingresar verdaderamente a la industria automotriz si la velocidad de producción es demasiado lenta o el costo del equipo es demasiado alto.
Así que, en lugar de intentar convertir una batería en un chip gigante, los investigadores ahora están recurriendo a lo que la industria de los semiconductores hace mejor: controlar materiales e interfaces con una precisión extremadamente alta.
Si estas tecnologías pueden eventualmente aplicarse a gran escala, las futuras baterías de vehículos eléctricos pueden adquirir capacidades de control estructural a nanoescala similares a las de los chips avanzados durante el proceso de fabricación. Esto no sólo puede promover una mayor comercialización de baterías de estado sólido, sino que también puede mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio de próxima generación, las baterías de ánodo de silicio y otras nuevas tecnologías de almacenamiento de energía.
Para la industria de los vehículos eléctricos, la próxima ronda de competencia en tecnología de baterías puede que ya no se trate de encontrar un "nuevo material mágico", sino de cómo utilizar métodos de fabricación más sofisticados para combinar materiales existentes en baterías con mejor rendimiento. La experiencia en procesamiento de micronano acumulada por la industria de fabricación de chips durante décadas se está convirtiendo en un importante conjunto de herramientas técnicas que los investigadores de baterías están tratando de tomar prestadas.
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