Acelerar la capacidad de carga rápida extrema en baterías de iones de litio
La carga rápida "extrema", la alta densidad energética y los ciclos de vida son el "santo grial" de las características que la industria del automóvil busca en las baterías
La sociedad actual está realizando una transición masiva de los combustibles fósiles a los recursos renovables y las baterías eléctricas. A pesar de la urgencia por cambiar a métodos más ecológicos, los principales retos relacionados con la eficiencia y la sostenibilidad plantean un obstáculo que hay que superar. Por ejemplo, la adopción masiva en el mercado de baterías de iones de litio (Li-ion) para su uso en vehículos eléctricos se está viendo obstaculizada por su lenta velocidad de carga. La carga rápida "extrema" (en la que el 80% de la batería se carga en 10 minutos), la alta densidad energética y el ciclo de vida útil son el "santo grial" de las características que la industria del automóvil busca en las baterías.
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Para hacer posible la carga rápida de las baterías, los investigadores llevan mucho tiempo intentando mejorar la transferencia de masa de los electrolitos y la transferencia de carga en los electrodos. Ahora, un estudio realizado por un equipo de investigadores, dirigido por el profesor Noriyoshi Matsumi, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), muestra un nuevo enfoque para facilitar la carga rápida utilizando un material aglutinante que favorece la intercalación de iones de litio del material activo. El material aglutinante mejora la difusión de los iones de Li desolvatados a través de la interfaz del electrolito sólido (SEI) y dentro del material del ánodo, y proporciona una alta conductividad, una baja impedancia y una buena estabilidad.
El equipo estaba formado por el antiguo profesor Rajashekar Badam, la investigadora postdoctoral Anusha Pradhan, el antiguo estudiante de posgrado Ryoya Miyairi y el estudiante de doctorado Noriyuki Takamori del JAIST. Sus hallazgos se han publicado en la revista ACS Materials Letters.
"Nuestra estrategia actual de utilizar un polímero de borato de litio de origen biológico como aglutinante polielectrolítico acuoso para mejorar la transferencia de carga en electrodos como los ánodos de grafito muestra una capacidad de carga rápida", afirman los autores correspondientes, Profs. Matsumi y Badam, del JAIST.
Mientras que la mayor parte de la investigación sobre baterías se centra en el diseño de materiales activos y la mejora de la transferencia de masa de los electrolitos, el estudio actual aporta un enfoque diferente mediante el diseño de un material aglutinante específico que favorece la intercalación de iones de litio del material activo. "El material aglutinante incluye borato de litio altamente disociable, que mejora la difusión de iones de litio en las matrices anódicas. Además, este aglutinante puede formar una SEI de organoborón, que muestra una resistencia interfacial muy baja en comparación con las celdas de batería ordinarias", explica el profesor Matsumi.
La función de los compuestos de boro (como el boro tetracordinado del aglutinante y el SEI rico en boro) es contribuir a la desolvatación de los iones Li+ disminuyendo la energía de activación de la desolvatación del Li+ de la envoltura de disolvente en el SEI. Además, con una alta difusión y una baja impedancia, se reduce el sobrepotencial relacionado con la transferencia de carga en la interfaz. "Este es uno de los factores determinantes de la carga extremadamente rápida", explica la Dra. Anusha Pradhan, del JAIST y primera autora del artículo.
Generalmente, cuando la carga supera la velocidad de intercalación, se produce un recubrimiento de Li en los electrodos de grafito. Se trata de un proceso no deseado que reduce la vida útil de la batería y limita la capacidad de carga rápida. En este estudio, la mejora de la difusión de los iones a través del SEI y dentro de los electrodos limita la polarización de la concentración de iones Li+, lo que provoca la ausencia de recubrimiento del grafito.
En su estudio, los investigadores no sólo presentan una estrategia novedosa para conseguir baterías con una velocidad de carga extremadamente alta y una resistencia interfacial reducida, sino que además utilizaron un biopolímero derivado del ácido cafeico. El ácido cafeico, un compuesto orgánico de origen vegetal, es una fuente de material sostenible y seguro para el medio ambiente. Así, mientras el mercado de estas pilas crece enormemente, el uso de recursos de origen biológico en ellas también reducirá las emisiones de dióxido de carbono.
Destacando las capacidades clave de la estructura utilizada en este estudio, el Prof. Matsumi añade: "En futuros estudios, nuestro aglutinante puede combinarse también con materiales activos de alta tasa de carga para conseguir un mayor efecto sinérgico en la mejora del rendimiento."
Con el aumento de la investigación sobre el rendimiento de las baterías, pronto podremos esperar opciones más ecológicas en la forma en que utilizamos la energía, especialmente en el sector del transporte. "Gracias a la tecnología de baterías de alta velocidad de carga, la gente podrá disfrutar de vehículos eléctricos y cómodos dispositivos móviles. El uso de recursos renovables mantendrá la disponibilidad de los productos durante mucho tiempo, con independencia de la disponibilidad de recursos fósiles y de las influencias de las altas situaciones sociales", concluye el profesor Matsumi.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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