Un nuevo revestimiento protector puede mejorar el rendimiento de las pilas
Una solución universal con protección climática indirecta
Un equipo de investigación del Instituto Paul Scherrer (PSI) ha desarrollado un nuevo proceso sostenible que puede utilizarse para mejorar el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio. Las pruebas iniciales de baterías de alto voltaje modificadas de este modo han dado buenos resultados. Este método podría utilizarse para hacer mucho más eficientes las baterías de iones de litio, por ejemplo las de los vehículos eléctricos.
Las baterías de iones de litio se consideran una tecnología clave para la descarbonización. Por eso, investigadores de todo el mundo trabajan para mejorar continuamente su rendimiento, por ejemplo aumentando su densidad energética. "Una forma de conseguirlo es aumentar el voltaje de funcionamiento", explica Mario El Kazzi, del Centro de Ciencias Energéticas y Medioambientales del Instituto Paul Scherrer PSI. "Si aumenta el voltaje, también aumenta la densidad energética".
Sin embargo, hay un problema: a tensiones de funcionamiento superiores a 4,3 voltios, se producen fuertes procesos de degradación química y electroquímica en la transición entre el cátodo, el polo positivo, y el electrolito, el medio conductor. La superficie de los materiales del cátodo resulta gravemente dañada por la liberación de oxígeno, la disolución de los metales de transición y la reconstrucción estructural, lo que a su vez provoca un aumento continuo de la resistencia de la célula y una disminución de su capacidad. Por eso las pilas comerciales, como las de los coches eléctricos, sólo funcionan hasta ahora a un máximo de 4,3 voltios.
Para resolver este problema, El Kazzi y su equipo han desarrollado un nuevo método para estabilizar la superficie del cátodo recubriéndola con una capa protectora fina y uniforme. Los investigadores informan de su descubrimiento en un estudio publicado en la revista científica ChemSusChem (Wiley).
Tensiones de funcionamiento de hasta 4,8 voltios
El proceso se centra en un gas que se produce como subproducto durante la fabricación de plásticos como el PTFE, el PVDF y la espuma: el trifluorometano, de fórmula química CHF3. En el laboratorio, El Kazzi y su equipo iniciaron una reacción a 300 grados Celsius entre el CHF3 y la fina capa de carbonato de litio que cubre la superficie de los cátodos. Esto convierte el litio de la interfase en fluoruro de litio (LiF). Es importante señalar que los átomos de litio del material del cátodo permanecen como iones, es decir, como partículas cargadas positivamente. Estos iones de litio deben poder ir y venir entre el cátodo y el ánodo, el polo negativo, durante la carga y la descarga para que la capacidad de la batería no se vea mermada durante el funcionamiento posterior.
En un paso posterior, los investigadores comprobaron la eficacia del revestimiento protector realizando pruebas electroquímicas a altos voltajes de funcionamiento. El resultado fue gratificante: El revestimiento protector se mantuvo estable incluso a altas tensiones. Protege tan bien el material del cátodo que es posible utilizarlo a tensiones de 4,5 e incluso 4,8 voltios.
En comparación con las baterías con cátodos sin protección, las baterías con revestimiento funcionaron significativamente mejor en todos los parámetros importantes. Por ejemplo, la impedancia, es decir, la resistencia de los iones de litio en la interfaz del cátodo, era alrededor de un 30% menor tras cien ciclos de carga y descarga que en las baterías con cátodos sin tratar. "Esto es una clara señal de que nuestra capa protectora minimiza el aumento de la resistencia causado por las reacciones interfaciales que se producirían de otro modo", explica El Kazzi.
También se comparó la retención de capacidad. Esto representa la cantidad de iones de litio que aún pueden migrar del cátodo al ánodo tras un determinado número de ciclos de carga y descarga. Cuanto más se acerque este valor al 100%, menor será la caída de capacidad. También en este caso, la batería con cátodo revestido demostró ser superior en las pruebas: La retención de la capacidad fue de más del 94% tras 100 ciclos de carga y descarga sin disminución de la velocidad de carga, mientras que la batería sin tratar sólo alcanzó el 80%.
Una solución universal con protección climática indirecta
El proceso de recubrimiento desarrollado en el PSI abre nuevas vías para aumentar la densidad energética de distintos tipos de baterías: "Podemos afirmar que nuestro revestimiento protector de fluoruro de litio es universal y puede utilizarse con la mayoría de los materiales catódicos", subraya El Kazzi. "Por ejemplo, también funciona con baterías de alto voltaje ricas en níquel y litio".
Otro aspecto importante del nuevo proceso es que el trifluorometano es un gas de efecto invernadero muy potente y más de 10.000 veces más dañino para el clima que el dióxido de carbono, razón por la cual nunca debería liberarse a la atmósfera. Para El Kazzi, convertirlo en una fina capa protectora uniforme de LiF sobre la superficie de los materiales catódicos es una solución eficaz para monetizar el gas y convertirlo en parte de una economía circular. Con el nuevo proceso de recubrimiento, el CHF3 puede reciclarse y ligarse a largo plazo como capa protectora en cátodos de alto voltaje.
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