Baterías para coches eléctricos más duraderas: un nuevo electrolito, la solución
24/06/2020
Un nuevo electrolito a base de litio inventado por científicos de la Universidad de Stanford (Estados Unidos) podría allanar el camino para la próxima generación de baterías de vehículos eléctricos y demás dispositivos electrónicos. En su estudio, publicado en la revista científica ‘Nature Energy‘, los investigadores demuestran cómo su novedoso diseño de electrolito aumenta el rendimiento de las baterías de metal de litio, una tecnología prometedora para alimentar vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y otros dispositivos.
“La mayoría de los coches eléctricos funcionan con baterías de iones de litio, que se están acercando rápidamente a su límite teórico de densidad de energía”, explica el coautor del estudio Yi Cui, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales y de Ciencia de los Fotones en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de la Universidad de Stanford. “Nuestro estudio se centró en las baterías de metal de litio, que son más ligeras que las de iones de litio y pueden potencialmente entregar más energía por unidad de peso y volumen”.
Las baterías de iones de litio, utilizadas en casi todos los dispositivos electrónicos de la actualidad, tienen dos electrodos: un cátodo con carga positiva que contiene litio y un ánodo con carga negativa que normalmente está hecho de grafito. Una solución electrolítica permite que los iones de litio se desplacen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo cuando se usa la batería y cuando se recarga. Una batería de litio-metal puede contener aproximadamente el doble de electricidad por kilogramo que una batería de iones de litio convencional ya que reemplazan el ánodo de grafito por el litio-metal, que puede almacenar mucha más energía.
Litio-metal, ¿sucesor del ion-litio?
“Las baterías de litio-metal son muy prometedoras para los vehículos eléctricos, donde el peso y el volumen son una gran preocupación”, señala a Tech Xplore el coautor del estudio Zhenan Bao, “Pero durante el funcionamiento, el ánodo de metal de litio reacciona con el electrolito líquido. Esto causa el crecimiento de microestructuras de litio llamadas dendritas en la superficie del ánodo, lo que puede causar que la batería se incendie y falle“. Los investigadores han pasado décadas tratando de abordar el problema de las dendritas, el principal talón de Aquiles de este tipo de baterías.
En el estudio se usó la química orgánica para diseñar racionalmente y crear nuevos electrolitos estables para las baterías: el fluor fue la solución
“En nuestro estudio, usamos la química orgánica para diseñar racionalmente y crear nuevos electrolitos estables para estas baterías”, afirman los investigadores, que exploraron si podían abordar los problemas de estabilidad con un electrolito líquido común y disponible en el mercado. “Hicimos la hipótesis de que la adición de átomos de flúor a la molécula del electrolito haría que el líquido fuera más estable”, señala Cui. “El flúor es un elemento ampliamente utilizado en los electrolitos para las baterías de litio. Usamos su capacidad de atraer electrones para crear una nueva molécula que permite que el ánodo de metal de litio funcione bien en el electrolito”.
El resultado fue un novedoso compuesto sintético, abreviado FDMB, que se puede producir fácilmente a granel. El equipo de Stanford probó el nuevo electrolito en una batería de metal de litio, logrando conservar el 90 por ciento de su carga inicial después de 420 ciclos de carga y descarga. En los laboratorios, las típicas baterías de litio-metal dejan de funcionar después de unos 30 ciclos.
Los investigadores también midieron la eficiencia con la que los iones de litio se transfieren entre el ánodo y el cátodo durante la carga y la descarga, una propiedad conocida como “eficiencia culombina”. “Si cargas 1.000 iones de litio, ¿cuántos recuperas después de la descarga?”, indican los investigadores. “Lo ideal es que quieras 1.000 de cada 1.000 para una eficiencia culombina del 100 por ciento. Para ser comercialmente viable, una celda de batería necesita una eficiencia culombina de al menos el 99,9 por ciento. En nuestro estudio obtuvimos un 99,52 por ciento en las medias células y un 99,98 por ciento en las células completas; un rendimiento increíble”.
También para electrónica común
Además de una mayor duración del ciclo y una mejor estabilidad, el electrolito FDMB es también mucho menos inflamable que los electrolitos convencionales. “Nuestro estudio proporciona básicamente un principio de diseño que la gente puede aplicar para conseguir mejores electrolitos“, añade Bao. “Sólo mostramos un ejemplo, pero hay muchas otras posibilidades“. Para su posible uso en electrónica de consumo, el equipo de Stanford también probó el electrolito FDMB en celdas de bolsa de metal de litio sin ánodo, baterías disponibles comercialmente con cátodos que suministran litio al ánodo.
“La idea es usar el litio sólo en el lado del cátodo para reducir el peso”, afirma Hansen Wang, otro de los autores. “La batería sin ánodo funcionó 100 ciclos antes de que su capacidad cayera al 80 por ciento, un resultado no tan bueno como el de una batería de iones de litio equivalente, que puede lograr de 500 a 1.000 ciclos, pero sigue siendo una de las células sin ánodo de mejor rendimiento“. Los investigadores creen que se trata de resultados prometedores para una amplia gama de dispositivos, “las baterías ligeras y sin ánodo serán una característica atractiva para los drones y muchos otros aparatos electrónicos de consumo”, concluye Bao.
