Un equipo de investigadores pertenecientes al Laboratorio Nacional Brookhaven, del Departamento de Energía de EE.UU (DOE), ha descubierto un aditivo para el electrolito de las baterías de iones de litio con cátodos ricos en níquel que estabiliza los ciclos de carga y descarga. El resultado de su trabajo podría conducir a una mejora en la densidad energética de las baterías lo que repercute directamente en la autonomía de los vehículos eléctricos.
Ya sean las de pequeño tamaño como las que se emplean en la electrónica de consumo o las de gran capacidad como las de los vehículos eléctricos, los componentes principales de cualquier batería son tres. Los electrodos, el cátodo y el ánodo, entre los que viajan los iones de litio para equilibrar la carga creada durante la carga y descarga, que están sumergidos en un electrolito que facilita su desplazamiento. Cuando está en proceso de descarga los iones se liberan del ánodo o electrodo negativo y viajan hasta el cátodo o electrodo positivo. Cuando la batería se conecta a un cargador, ocurre lo contrario y la batería se recarga.
El componente que hace que la batería pueda cargarse y descargarse es el electrolito, que en las baterías actuales es generalmente líquido y está formado generalmente por metales pesados o metales de tierras raras. Los electrones pasan por un circuito externo que conecta los dos electrodos mientras que los iones pasan por el electrolito. Ambos van y vienen entre los electrodos durante los ciclos de carga y descarga.
Las claves del electrolito de las baterías de litio
Los materiales de los cátodos ricos en níquel (conocidos como NCM por estar compuestos por níquel, cobalto y manganeso) están ordenados en capas en capas. Esta composición química promete una alta densidad de energía cuando se combinan con ánodos de metal de litio. Sin embargo, estos materiales son propensos a la pérdida de capacidad. Uno de los principales problemas es el agrietamiento de las partículas durante los ciclos de carga y descarga a alto voltaje. Su capacidad de operación a voltajes elevados (por encima de los 4 V), es de extrema importancia puesto que la energía total almacenada en una batería aumenta a medida que aumenta el voltaje operativo útil.
Otro problema es la disolución del metal de transición del cátodo y su posterior depósito en el ánodo. Esto se conoce como "diafonía" en la comunidad de baterías. Durante la carga de alto voltaje, pequeñas cantidades de metales de transición en la red cristalina del cátodo se disuelven y viajan a través del electrolito depositándose en el ánodo. Cuando esto sucede, tanto el cátodo como el ánodo se degradan. El resultado se evidencia con una mala retención de la capacidad de la batería.
Los aditivos en el electrolito
El equipo del Laboratorio Nacional Brookhaven dirigido por el químico de Brookhaven Enyuan Hu ofrece un remedio a los problemas de degradación que sufren los materiales de los cátodos ricos en níquel cuando funcionan a altos voltajes. Su trabajo, realizado como parte del Consorcio Battery500 financiado por el DOEha sido dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y publicado en la revista Nature Energy.
Sha Tan, coautor de los trabajos, realizaba una investigación con el grupo de almacenamiento de energía electroquímica en Brookhaven Lab utilizando originalmente un aditivo, difluorofosfato de litio (LiPO2F2), para mejorar el rendimiento de las baterías a baja temperatura. "Descubrí que si elevaba el voltaje a 4,8 voltios (V), este aditivo realmente brindaba una gran protección al cátodo logrando que la batería alcanzase un excelente rendimiento en el ciclado", explica Tan.
Lo que realmente estaba ocurriendo es que la introducción de una pequeña cantidad este aditivo en el electrolito eliminaba la diafonía, es decir, reducía los depósitos de litio en el ánodo. A medida que el aditivo se descompone, produce fosfato de litio (Li3PO4) y fluoruro de litio (LiF) para formar una interfase cátodo-electrolito, una capa sólida y delgada que se forma en el cátodo de la batería durante el ciclo, con un alto nivel de protección.
"Al formar una interfase muy estable en el cátodo, esta capa protectora suprime significativamente la pérdida del metal de transición en la superficie del cátodo", explica Hu. La pérdida reducida de metales de transición ayuda a disminuir la deposición de esos metales de transición en el ánodo. En ese sentido, el ánodo también está protegido hasta cierto punto. "Creemos que la supresión de la disolución del metal de transición es uno de los contribuyentes clave que conducen a un rendimiento de ciclo significativamente mejorado".
Según los investigadores, añadiendo este aditivo al electrolito, un cátodo rico en níquel ciclado a altos voltajes aumenta la densidad de energía y retiene el 97 % de su capacidad inicial tras 200 ciclos de carga y descarga.
Según explica Hu, el rendimiento mejorado no es el único resultado interesante. El cátodo rico en níquel más común se encuentra en forma de policristales, de decir, un agregados de muchos cristales a escala nanométrica conocidos como partículas primarias, agrupados para formar una partícula secundaria más grande. Si bien así se logra una síntesis del cátodo relativamente fácil, esta naturaleza policristalina causa grietas en las partículas lo que se traduce en un eventual desvanecimiento de la capacidad.
Algunas investigaciones recientes han indicado que los cátodos basados en monocristales pueden ser ventajosos sobre sus homólogos policristalinos para la supresión de la formación de grietas en las partículas. Sin embargo, "según los resultados de nuestro trabajo, los materiales policristalinos no pueden dejar de utilizarse porque son más fáciles de fabricar, lo que se traduce en una reducción de los costes de la batería" un coste inferior de en un costo más bajo", dijo Hu. El estudio sugiere que el uso de los aditivos también puede abordar de manera efectiva el problema del agrietamiento en materiales policristalinos.
"Nuestra estrategia utiliza una cantidad muy pequeña de aditivo para lograr una mejora tan grande del rendimiento electroquímico. En términos prácticos, esta podría ser una solución de bajo costo y fácil de adoptar", añade Hu. De cara al futuro, los investigadores quieren probar el aditivo en condiciones más exigentes para explorar si los materiales del cátodo pueden soportar incluso más ciclos para el uso práctico de la batería.
