Una de las arquitecturas de baterías más prometedoras y que más está siendo objeto de estudio por parte de los investigadores es la que utiliza metal de litio puro en el ánodo, en lugar de la mezcla de materiales que se emplea actualmente en las baterías de litio. A base de la creación de enlaces débiles entre el electrolito y los iones de litio, una nueva investigación ha logrado un avance muy importante para crear una batería que funciona de manera eficiente, ofreciendo una alta densidad energética, sin apenas degradación y a temperaturas muy bajas.
Durante muchos años, las baterías de iones de litio han sido la solución ideal para almacenar energía tanto para la tecnología móvil como para los vehículos eléctricos. Sin embargo, la ciencia lleva tiempo buscando una solución mejor, más barata, más liviana y más eficiente. La respuesta parece estar en las baterías de metal de litio que emplean este elemento químico en forma pura en comparación con la mezcla de grafito y cobre que se usa en la actualidad. Esta tecnología permite duplicar la capacidad de las baterías de los vehículos eléctricos, y por lo tanto doblar su autonomía, aumentando la seguridad y reduciendo sensiblemente el precio de compra.
El inconveniente que hace que este tipo de baterías no se empleen todavía en vehículos eléctricos es la formación de dendritas entre los electrodos, que acaban consumiendo el electrolito. Esta circunstancia reduce el rendimiento, la vida útil y la seguridad, ya que pueden llegar a causar un cortocircuito.
Una investigación basada en electrolito y su relación con los iones de litio
La solución que transporta los iones de litio entre los dos electrodos, tanto en la carga como en la descarga, es el electrolito que juega un papel fundamental en el funcionamiento de la batería. Un equipo de investigación de la Universidad de California, San Diego (UCSD) se centró en este componente para desarrollar una batería que pudiera cargarse y descargarse a temperaturas extremadamente bajas, algo que requiere sistemas de calefacción adicionales.
Baterías de metal de litio.
El objetivo era lograr que el electrolito no se congele de manera que pudiera mantener los iones de litio en movimiento. Al experimentar con dos tipos de electrolitos, uno que se unía fuertemente a los iones y otro que se unía mucho más débilmente, descubrieron que la facilidad con que el electrolito puede soltar los iones es determinante para el funcionamiento de las baterías a bajas temperaturas, explica el autor principal, John Holoubek.
La celda experimental que contenía el primer electrolito, el de unión fuerte, dejó de funcionar tras solo dos ciclos cuando la temperatura de funcionamiento se redujo a -60 °C, mientras que el segundo, con una unión débil, siguió funcionando después de 50 ciclos y conservando el 76% de su capacidad. Cuando se realizó el mismo experimenta a -40 °C, se redujo la degradación manteniendo el 84% de su capacidad.
Las investigaciones posteriores realizadas sobre estas celdas de prueba experimentales revelaron que, con el electrolito de unión débil, los iones se depositaban de manera mucho más uniforme en el ánodo de la batería, mientras que con el electrolito de unión fuerte los depósitos eran más gruesos y en forma de aguja, es decir, las dendritas se formaban más rápidamente, provocando cortocircuitos y el fallo total de la batería. "La manera en la que los iones de litio interactúan con el electrolito a nivel atómico permite un ciclo sostenible a muy baja temperatura, previniendo la formación de dendritas", asegura Zheng Chen, otro de los autores del estudio.
Este hallazgo ha sido publicado en la revista Nature Energy y ha permitido a los investigadores construir un prototipo de batería de metal de litio con un cátodo a base de azufre y un electrolito de unión débil. Este tipo de dispositivo podría emplearse en entornos extremos sin necesidad de incluir equipos de calefacción adicionales para que las baterías sigan funcionando.
