Las baterías de iones de litio son las más empleadas en la automoción, donde se requieren altas densidades energéticas, es decir, la máxima capacidad de almacenamiento en el mínimo peso y volumen. Si bien hoy en día ofrecen una envolvente de propiedades que permiten su uso en muchas aplicaciones (densidad de energía, ciclo de vida, reciclaje y coste), sus limitaciones se han hecho evidentes, sobre todo en durabilidad.
Uno de los materiales que promete una mejora muy importante en este campo es el silicio que reemplaza al grafito con el que se crea la estructura del ánodo en la que se depositan los iones de litio. Se trata de un material muy abundante y económico con una capacidad de descarga teórica superior a la del grafito. Además, tiene el potencial de aumentar hasta el doble la densidad de energía de las baterías.
Sin embargo, su mayor inconveniente es su alta degradación, lo que se traduce en una escasa vida útil para la batería. Los cambios de volumen que sufre el ánodo durante los ciclos de carga y descarga conducen al consumo del electrolito y del litio y provocan tensiones mecánicas que finalmente se traducen en la pérdida de conductividad eléctrica e iónica.
Un nuevo material y una mejora espectacular
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), cuya investigación ha sido publicada recientemente en la revista Nature Energy, han desarrollado un recubrimiento de polímero conductor, llamado HOS-PFM, que supone “una nueva orientación en el desarrollo de baterías para vehículos eléctricos más asequibles y fáciles de fabricar”, explica Gao Liu, científico senior en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab, director del proyecto de investigación.
La ventaja de este recubrimiento es que es capaz de conducir tanto electrones como iones al mismo tiempo. Esta propiedad asegura la estabilidad de la batería y las altas tasas de carga/descarga. El recubrimiento también muestra excelentes propiedades como adhesivo lo que permite extender la vida útil de una batería de iones de litio a un promedio de 10 a 15 años, añade Liu.
Para demostrar las propiedades conductoras y adhesivas del HOS-PFM, Liu y su equipo recubrieron con él los electrodos de silicio, combinado con aluminio, y probaron su rendimiento utilizándolos en un batería de iones de litio. Estos dos materiales son muy livianos y ofrecen un alto potencial de almacenamiento de energía. Además, son baratos y abundantes lo que repercute en el coste de fabricación final de las baterías.
Durante los experimentos realizados en las instalaciones de Advanced Light Source y Molecular Foundry, los investigadores demostraron que el recubrimiento HOS-PFM evita significativamente que los electrodos se degraden durante los ciclos de carga y descarga de la batería, manteniendo la capacidad energética intacta durante 300 ciclos, a la par con los electrodos de última generación de hoy.
Liu afirma que los resultados son impresionantes, porque las celdas de iones de litio basadas en silicio generalmente tienen un número limitado de ciclos, siendo precisamente su escasa vida útil uno de sus hándicaps más negativos.
Este recubrimiento podría permitir el uso de electrodos con un contenido de hasta un 80% en silicio, muy elevado, lo que se traduce en un aumento en la densidad de energía de las baterías de iones de litio de al menos un 30%, afirma Liu. Dado que el silicio sustituye al grafito, el material con el que se crean las microestructuras de los electrodos actuales, las baterías serían menos costosas, lo que debería traducirse en un abaratamiento de los vehículos eléctricos básicos.
El siguiente paso para el equipo pasa por trabajar con diferentes empresas para industrializar la fabricación en masa del HOS-PFM.
