Un equipo de investigación del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), perteneciente al Departamento de Energía de Estado Unidos, ha logrado aumentar la vida útil de una batería de metal de litio hasta los 600 ciclos de carga y descarga, lo que supone tres veces más de los logrado hasta ahora por otras investigaciones. Las tiras de litio del ánodo de un ancho inferior al de un cabello humano son las responsables de la creación de una interfaz sólida (SEI) que permite mantener viva las reacciones químicas y aumentar la vida útil de la batería. El resultado de esta investigación es un paso prometedor hacia el objetivo de lograr baterías más livianas, duraderas y económicas que puedan implementarse en los futuros vehículos eléctricos.
Las baterías de metal de litio son actualmente objeto de investigación por diferentes grupos de investigación en todo el mundo que están optando por una gran diversidad de opciones. Junto con el uso de electrolitos sólidos, se consideran una parte importante de la solución para reducir los efectos del cambio climático. En lugar de grafito, el ánodo de las estas baterías está formado por una fina capa de litio metálico al que acompañan un cátodo de alta energía y un electrolito estable que se sitúa entre ambos electrodos.
Estas baterías son capaces de ofrecer el doble de energía que una de iones de litio convencional para un peso y volumen similar, es decir aumentaría considerablemente la autonomía de un vehículo eléctrico. Además, con ellas, estos serían más livianos lo que también repercutiría en un mayor rango.
Sin embargo, las baterías de metal de litio creadas a nivel de laboratorio se ven afectadas por una gran degradación lo que limita su vida útil por debajo de lo que ofrece una batería de iones de litio como las que se emplean generalmente en los vehículos eléctricos actuales. Las dendritas que se forman entre los electrodos consumen el electrolito, reducen el rendimiento, su vida útil y su seguridad, ya que pueden llegar a causar un cortocircuito. Todos estos inconvenientes dificultan su empleo en los coches eléctricos.
La importancia del grosor de las tiras de litio y la interfase SEI
Un equipo de investigación del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), perteneciente al Departamento de Energía de Estado Unidos (DOE), ha creado una batería de litio-metal que es capaz de soportar 600 ciclos de carga y descarga, lo que supone un importantísimo avance respecto a otros resultados reportados en otras investigaciones.
La nueva investigación ha sido promovida por el Centro de Innovación del Consorcio Battery500 del DO que aglutina el esfuerzo de varias instituciones. El PNNL ha sido el responsable de integrar los últimos avances logrados por las instituciones asociadas en celdas de bolsa de alta energía para demostrar el rendimiento que son capaces de ofrecer en condiciones realistas.
El secreto de las celdas de batería de metal de litio de PNNL está en el uso en el ánodo de tiras de litio de un espesor de 20 mirones, inferior al de un cabello humano.
En el caso de esta investigación, el equipo de PNNL encontró una manera de aumentar la vida útil de la batería adoptando un enfoque diferente y poco habitual. En lugar de usar ánodos con más litio, el equipo usó tiras de litio de tan solo 20 micrones de ancho, mucho más delgadas que un cabello humano.
Según afirma Jie Xiao, director del artículo publicado y director de la investigación junto a Jun Liu (director del Consorcio Battery500), "muchas investigaciones han optado por emplear láminas de litio más grueso para permitir que la batería tuviera un ciclado más largo. Pero eso no siempre es cierto. Hay un grosor optimizado para cada batería de metal de litio dependiendo de la energía y el diseño de su celda", explica.
La conclusión de que era necesario probar tiras de litio más delgadas tuvo su base en la comprensión detallada de la dinámica molecular del ánodo. Los científicos descubrieron que las tiras más gruesas son las que contribuyen directamente al fallo de la batería. Esto se debe a las complejas reacciones que se producen alrededor de la película creada alrededor del ánodo conocida como interfase de electrolitos sólidos o SEI. El SEI es un subproducto de las reacciones secundarias entre el litio y el electrolito. Actúa como un importante guardián que permite que ciertas moléculas vayan del ánodo al electrolito y viceversa, mientras mantiene a raya a otras moléculas.
Un SEI que funciona eficazmente permite el paso de ciertos iones de litio, pero limita las reacciones químicas no deseadas que reducen el rendimiento de la batería y aceleran el fallo de las celdas. El objetivo principal de los investigadores ha sido reducir las reacciones secundarias no deseadas entre el electrolito y el metal litio, para estimular las reacciones químicas vitales. El equipo descubrió que las tiras de litio más delgadas crean lo que se podría llamar "un buen SEI", mientras que las tiras más gruesas tienen una mayor probabilidad de contribuir a lo que se podría llamar "un SEI dañino".
En su artículo, los investigadores utilizan respectivamente los términos "SEI húmedo" y "SEI seco". La versión húmeda retiene el contacto entre el electrolito líquido y el ánodo, posibilitando que continúen las reacciones electroquímicas. Sin embargo, en la versión seca, el electrolito líquido no alcanza todo el litio. Debido a que las tiras de litio son más gruesas, el electrolito debe fluir hacia bolsas más profundas de litio y, al hacerlo, deja secas otras porciones del litio. Esto evita que se produzcan ciertas reacciones importantes y contribuye directamente a la muerte prematura de la batería.
Un ejemplo que permite entender lo que se produce en una batería es una sartén que acumula gradualmente una capa de grasa si no se limpia a fondo después de cada uso. Con el tiempo, la capa acumulada actúa como barrera, reduciendo el flujo de energía y haciendo que la superficie sea menos efectiva. De la misma manera, una capa SEI seca y no deseada evita la transferencia efectiva de energía necesaria dentro de una batería.
Si bien la batería de metal de litio creada por el equipo de Battery500 tiene una densidad de energía elevada, de 350 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), no es una cifra sin precedentes ni su principal virtud. El valor de los resultados obtenidos tiene más que ver con la vida útil de la batería: Después de 600 ciclos de carga-descarga, la batería retuvo todavía el 76% de su capacidad energética inicial.
Una celda de bolsa, que refleja más de cerca las condiciones del mundo real que una celda tipo botón, que es el tipo de dispositivo utilizado en muchos proyectos de investigación de baterías, pero que es mucho menos realista.
Para poner este resultado en contexto, hace apenas cuatro años, una batería experimental de metal de litio podía funcionar durante 50 ciclos. Hace dos años, el equipo de PNNL logró 200 ciclos. Ahora triplica los resultados. Además, la batería PNNL es una celda de bolsa, que refleja más de cerca las condiciones del mundo real que una celda tipo botón, que es el tipo de dispositivo utilizado en muchos proyectos de investigación de baterías, pero que es mucho menos realista. En las celdas tipo bolsa la cantidad de electrolito disponible es entre 20 y 30 veces menor que la existente en las celdas de botón experimentales.
El futuro de las baterías de metal litio en el Consorcio Battery500
Si bien este anuncio supone un gran paso adelante para una tecnología prometedora, no significa que esté ya lista para ser implementada de forma general en los vehículos eléctricos. Las baterías de iones de litio que se usan en la actualidad contienen menos energía, pero duran, por lo general al menos 1.000 ciclos de carga y descarga.
El Consorcio Battery500 se creó con el fin de desarrollar baterías para vehículos eléctricos más livianas, con mayor densidad energética y menos costosas que las que se usan actualmente. El progreso en el desarrollo de las baterías de metal de litio ha sido sustancial gracias a sus investigaciones. Su objetivo es aumentar la cantidad de energía almacenada en una batería de larga duración, segura y asequible. Más energía por kilogramo de material se traduce en un vehículo más liviano que puede llegar más lejos con una sola carga. Las baterías de los vehículos eléctricos actuales rondan los 200-250 Wh/kg; Battery500 apunta a un nivel de celda de 500 Wh/kg.
Según M. Stanley Whittingham, profesor de la Universidad de Binghamton, premio Nobel de Química en 2019 y coautor del artículo, "el Consorcio Battery500 ha logrado un gran progreso en el aumento de la densidad de energía y la extensión del ciclo de vida de las baterías, pero se necesita hacer mucho más. En particular, hay problemas de seguridad con las baterías de metal de litio que deben abordarse. Eso es algo en lo que el equipo de Battery500 está trabajando arduamente para resolver".
