Diseño innovador de la batería: más energía y menos impacto ambiental
Un método optimizado hace que las pilas sean más ecológicas
Un nuevo diseño de electrolito para baterías de litio metálico podría aumentar considerablemente la autonomía de los vehículos eléctricos. Investigadores de la ETH de Zúrich han reducido radicalmente la cantidad de flúor, perjudicial para el medio ambiente, necesario para estabilizar estas baterías.
Las baterías de metal de litio son unas de las candidatas más prometedoras de la próxima generación de baterías de alta energía. Pueden almacenar al menos el doble de energía por unidad de volumen que las baterías de iones de litio de uso generalizado en la actualidad. Esto significará, por ejemplo, que un coche eléctrico podrá recorrer el doble de distancia con una sola carga, o que un smartphone no tendrá que recargarse tan a menudo.
En la actualidad, las baterías de litio metálico siguen presentando un inconveniente crucial: el electrolito líquido requiere la adición de cantidades significativas de disolventes fluorados y sales fluoradas, lo que aumenta su huella medioambiental. Sin embargo, sin la adición de flúor, las baterías de metal de litio serían inestables, dejarían de funcionar tras muy pocos ciclos de carga y serían propensas a cortocircuitos, así como a sobrecalentarse e incendiarse. Un grupo de investigación dirigido por Maria Lukatskaya, catedrática de Sistemas Electroquímicos de Energía de la ETH de Zúrich, ha desarrollado ahora un nuevo método que reduce drásticamente la cantidad de flúor necesaria en las baterías de metal de litio, haciéndolas así más respetuosas con el medio ambiente y más estables, además de rentables.
Una capa protectora estable aumenta la seguridad y eficiencia de las baterías
Los compuestos fluorados del electrolito ayudan a la formación de una capa protectora alrededor del litio metálico en el electrodo negativo de la pila. "Esta capa protectora puede compararse con el esmalte de un diente", explica Lukatskaya. "Protege el litio metálico de la reacción continua con los componentes del electrolito". Sin ella, el electrolito se agotaría rápidamente durante los ciclos, la célula fallaría y la falta de una capa estable daría lugar a la formación de bigotes de metal de litio - "dendritas"- durante el proceso de recarga en lugar de una capa plana conformada.
Si estas dendritas tocasen el electrodo positivo, se produciría un cortocircuito con el riesgo de que la batería se calentase tanto que se incendiase. La capacidad de controlar las propiedades de esta capa protectora es, por tanto, crucial para el rendimiento de la batería. Una capa protectora estable aumenta la eficacia, la seguridad y la vida útil de la pila.
Minimizar el contenido de flúor
"La cuestión era cómo reducir la cantidad de flúor añadido sin comprometer la estabilidad de la capa protectora", explica el doctorando Nathan Hong. El nuevo método del grupo utiliza la atracción electrostática para lograr la reacción deseada. Las moléculas fluoradas cargadas eléctricamente sirven de vehículo para transportar el flúor a la capa protectora. Esto significa que sólo se necesita un 0,1 por ciento en peso de flúor en el electrolito líquido, lo que es al menos 20 veces menos que en estudios anteriores.
Un método optimizado hace que las pilas sean más ecológicas
El grupo de investigación de la ETH de Zúrich describe el nuevo método y sus principios subyacentes en un artículo publicado recientemente en la revista Energy & Environmental Science. Ya se ha solicitado la patente. Lukatskaya ha llevado a cabo esta investigación con la ayuda de una beca SNSF Starting Grant.
Uno de los mayores retos era encontrar la molécula adecuada a la que pudiera unirse el flúor y que, además, se descompusiera de nuevo en las condiciones adecuadas una vez alcanzado el metal de litio. Como explica el grupo, una ventaja clave de este método es que puede integrarse perfectamente en el proceso de producción de baterías existente sin generar costes adicionales para cambiar la configuración de producción. Las baterías utilizadas en el laboratorio tenían el tamaño de una moneda. En una próxima etapa, los investigadores planean probar la escalabilidad del método y aplicarlo a pilas de bolsa como las que se utilizan en los teléfonos inteligentes.
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Publicación original
Chulgi Nathan Hong, Mengwen Yan, Oleg Borodin, Travis P. Pollard, Langyuan Wu, Manuel Reiter, Dario Gomez Vazquez, Katharina Trapp, Ji Mun Yoo, Netanel Shpigel, Jeremy I. Feldblyum, Maria R. Lukatskaya; "Robust battery interphases from dilute fluorinated cations"; Energy & Environmental Science, Volume 17, 2024
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