El secreto de unas pilas más duraderas podría estar en cómo funciona el jabón
Uno de los electrolitos más prometedores para diseñar baterías de litio más duraderas tiene nanoestructuras complejas que actúan como las estructuras micelares del agua enjabonada
Un equipo de investigadores, entre los que se encuentran ingenieros de la Universidad de Brown y del Laboratorio Nacional de Idaho, cree que la clave para fabricar pilas que duren más está en cómo se limpian las cosas y, en concreto, en cómo actúa el jabón en este proceso.
Por ejemplo, el lavado de manos. Cuando alguien se lava las manos con jabón, éste forma unas estructuras llamadas micelas que atrapan y eliminan la grasa, la suciedad y los gérmenes cuando se enjuagan con agua. El jabón hace esto porque actúa como puente entre el agua y lo que se está limpiando, uniéndolos y envolviéndolos en esas estructuras de micelas.
En un nuevo estudio publicado en Nature Materials, los investigadores observaron que un proceso similar tiene lugar en lo que se ha convertido en una de las sustancias más prometedoras para diseñar baterías de litio más duraderas: un nuevo tipo de electrolito llamado electrolito localizado de alta concentración. Esta nueva comprensión del funcionamiento del proceso, afirman en el artículo, podría ser la pieza que falta para abrir de par en par las puertas de este sector tecnológico emergente.
"Queremos mejorar y aumentar la densidad energética de las baterías, es decir, cuánta energía almacenan por ciclo y cuántos ciclos duran", explica Yue Qi, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown. "Para ello, hay que sustituir los materiales del interior de las baterías tradicionales para hacer realidad las baterías de larga duración que almacenan más energía: pensemos en baterías que puedan alimentar un teléfono durante una semana o más, o en vehículos eléctricos que recorran 800 kilómetros".
Los científicos han estado trabajando activamente en la transición a baterías fabricadas con litio metálico porque tienen una capacidad de almacenamiento de energía mucho mayor que las actuales baterías de iones de litio. El obstáculo son los electrolitos tradicionales, que son esenciales porque permiten el paso de la carga eléctrica entre los dos terminales de la batería y desencadenan la reacción electroquímica necesaria para convertir la energía química almacenada en energía eléctrica. Los electrolitos tradicionales de las baterías de iones de litio, compuestos básicamente de sales de baja concentración disueltas en un disolvente líquido, no son eficaces en las baterías metálicas.
Los científicos del Laboratorio Nacional de Idaho y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico diseñaron electrolitos localizados de alta concentración para resolver este problema. Se fabrican mezclando altas concentraciones de sal en disolvente con otro líquido llamado diluyente, que hace que el electrolito fluya mejor para poder mantener la potencia de la batería.
Hasta ahora, en las pruebas de laboratorio, este nuevo tipo de electrolito ha dado resultados prometedores, pero nunca se ha entendido del todo cómo funciona y por qué, lo que pone un límite a su eficacia y a su desarrollo. El nuevo estudio contribuye a resolver este problema.
"El artículo ofrece una teoría unificada de por qué este electrolito funciona mejor, y la clave para entenderlo es que en él se forman estructuras similares a micelas, como ocurre con el jabón", explica Bin Li, científico del Laboratorio Nacional de Oak Ridge que ha trabajado en el estudio. "Aquí vemos que el papel del jabón o tensioactivo lo desempeña el disolvente que une tanto el diluyente como la sal, envolviéndose alrededor de la sal de mayor concentración en el centro de la micela".
Al entender esto, los investigadores pudieron desglosar las proporciones y concentraciones necesarias para provocar las reacciones óptimas para las pilas. Esto debería ayudar a resolver uno de los principales puntos problemáticos en la ingeniería de este electrolito, que es encontrar el equilibrio adecuado para los tres ingredientes. De hecho, el trabajo no sólo proporciona mejores directrices para fabricar electrolitos localizados de alta concentración que funcionen, sino para fabricar unos que funcionen de forma aún más eficaz.
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho pusieron la teoría en práctica. Al hacerlo, descubrieron que la teoría, hasta ahora, se sostiene y ayuda a prolongar la vida útil de las baterías de metal de litio. El equipo está impaciente por ver qué diseños de electrolitos localizados de alta concentración surgen de su trabajo, pero sabe que aún queda mucho por hacer para superar el cuello de botella del diseño de electrolitos para baterías de alta densidad. Ahora mismo, les divierte saber que el secreto puede estar en algo tan mundano y cotidiano como el jabón.
"El concepto de micela puede ser nuevo para el electrolito, pero en realidad es muy común en nuestra vida cotidiana", afirma Qi. "Ahora tenemos una teoría, y tenemos pautas para conseguir las interacciones que queremos de la sal, el disolvente y el diluyente en el electrolito, y en qué concentración tienen que estar y cómo se mezclan".
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Publicación original
Corey M. Efaw, Qisheng Wu, Ningshengjie Gao, Yugang Zhang, Haoyu Zhu, Kevin Gering, Michael F. Hurley, Hui Xiong, Enyuan Hu, Xia Cao, Wu Xu, Ji-Guang Zhang, Eric J. Dufek, Jie Xiao, Xiao-Qing Yang, Jun Liu, Yue Qi, Bin Li; "Localized high-concentration electrolytes get more localized through micelle-like structures"; Nature Materials, 2023-11-6
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