Los líquidos iónicos hacen furor en las baterías de litio-metal de nueva generación

Los electrodos de estado cuasi-sólido logran una importante reducción de la resistencia interfacial

22.03.2022 - Japón

Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han desarrollado un nuevo cátodo de estado cuasi-sólido para baterías de litio-metal de estado sólido, con una resistencia interfacial significativamente reducida entre el cátodo y un electrolito sólido. Añadiendo un líquido iónico, su cátodo modificado podía mantener un excelente contacto con el electrolito. Su prototipo de batería también mostró una buena retención de la capacidad. Aunque encontrar el mejor líquido iónico sigue siendo un reto, la idea promete nuevas direcciones en el desarrollo de baterías de litio sólidas para aplicaciones prácticas.

Las baterías de iones de litio se han convertido en algo omnipresente, ya que ocupan un lugar en nuestros teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, herramientas eléctricas y vehículos eléctricos. Pero en la búsqueda de mejores soluciones con mayor densidad energética, los científicos han recurrido a las baterías de litio-metal en estado sólido. Las baterías de metal de litio tienen potencialmente una densidad de energía mucho mayor que sus homólogas de iones de litio. Se consideran el futuro de las baterías, ya que permiten alimentar vehículos y redes a gran escala.

Sin embargo, los problemas técnicos impiden que las baterías de litio-metal de estado sólido se abran paso en las aplicaciones más exigentes. Uno de los principales es el diseño de la interfaz entre los electrodos y los electrolitos sólidos. Los electrolitos de las baterías de iones de litio suelen ser líquidos y muy inflamables, lo que supone un riesgo para la seguridad. Por eso se ha intentado utilizar un electrolito sólido en su lugar. Sin embargo, es difícil conseguir un buen contacto entre los electrodos y los electrolitos sólidos. Cualquier rugosidad de la superficie en cualquiera de los lados provoca una alta resistencia interfacial, lo que perjudica el rendimiento de la batería. Se ha trabajado en el diseño del electrolito sólido, pero el diseño del cátodo sigue siendo una cuestión pendiente.

Un equipo dirigido por el profesor Kiyoshi Kanamura, de la Universidad Metropolitana de Tokio, ha desarrollado nuevas formas de mejorar el contacto entre el cátodo y el electrolito sólido en las baterías de litio-metal de estado sólido. Ahora han conseguido crear un cátodo de óxido de cobalto y litio (LiCoO2) en estado casi sólido que contiene un líquido iónico a temperatura ambiente. Los líquidos iónicos están formados por iones positivos y negativos; también pueden transportar iones. Y lo que es más importante, pueden rellenar los pequeños huecos existentes en la interfaz cátodo/electrolito sólido. Una vez rellenados los huecos, la resistencia interfacial disminuyó considerablemente.

El método del equipo también tiene otras ventajas. Los líquidos iónicos no sólo son conductores iónicos, sino también casi no volátiles y normalmente no inflamables. Además, tienen un efecto mínimo en la pasta con la que se forma el cátodo, por lo que el proceso de fabricación queda prácticamente intacto. El equipo demostró un prototipo de batería fabricado con su cátodo de estado casi sólido y un electrolito sólido "granate" (en referencia a su estructura), que mostró una buena capacidad de recarga, con un 80% de retención de la capacidad tras 100 ciclos de carga y descarga a una temperatura elevada de 60°C. Otros estudios revelaron también un contenido óptimo de líquido iónico del 11% en peso.

Aún quedan problemas, como encontrar un líquido iónico mejor que no se degrade tan fácilmente. Sin embargo, el nuevo paradigma del equipo promete nuevas e interesantes direcciones para la investigación de las baterías de metal de litio en estado sólido, con el potencial de sacarlas del laboratorio y llevarlas a nuestras vidas.

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