Un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe y del Instituto Helmholtz de Ulm (HIU) ha mostrado el funcionamiento de una nueva batería de metal de litio cuya densidad energética puede llegar hasta los 500 Wh/kg. Esta cifra supone casi duplicar la densidad de las mejores baterías de iones de litio actuales que alcanzan los 250-300 Wh/kg. El secreto está en un nuevo electrolito líquido iónico que es capaz de eliminar los problemas de estabilidad de este tipo de baterías, permitiendo mantener su rendimiento a lo largo de cientos de ciclos de carga y descarga.
La clave para que los coches eléctricos (o cualquier otro tipo de vehículo) puedan recorrer largas distancias sin necesitar recargar sus baterías está en lograr acumular mucha energía en ellas sin aumentar prohibitivamente su peso. Las baterías de iones de litio que se usan actualmente en prácticamente todas las aplicaciones de tecnología móvil y en los vehículos eléctricos cumplen con este requisito, pero tienen ciertas limitaciones que pueden desbloquearse realizando algunos ajustes en su arquitectura.
Una de las soluciones más prometedoras en sustituir el grafito utilizado en sus electrodos por metal de litio puro, un material que tiene la capacidad de contener hasta 10 veces más energía. Por esta razón el metal de litio es considerado por algunos investigadores como un "material de ensueño" ya que es capaz de romper el mayor hándicap que actualmente tienen las baterías de litio. Sin embargo, cuando se realiza esta práctica se producen una serie de reacciones adversas entre el electrolito encargado de transportar los iones de litio y los dos electrodos de la batería, el cátodo y el ánodo.
Los investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe y del Instituto Helmholtz de Ulm han logrado solventar este problema gracias a un electrolito diseñado para evitar este problema. Comenzaron empleando un cátodo estructurado en capas, rico en níquel y pobre en cobalto (NCM88) y un electrolito orgánico comercial denominado LP30. Esta configuración ofrece una alta densidad de energía, pero también es muy inestable, de manera que la capacidad de almacenamiento disminuyó conforme se ciclaba la batería. Según explica el profesor Stefano Passerini, director de HIU, "con el electrolito LP30 las partículas se agrietan en el cátodo y dentro de esas grietas el electrolito reacciona y daña la estructura formándose una capa gruesa y musgosa que contiene litio en el ánodo".
Este diagrama muestra el rendimiento de la batería de metal de litio desarrollada en comparación con un diseño más convencional. Imagen: Fanglin Wu y el Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU.
A continuación, el equipo cambió el electrolito LP30 por uno alternativo que ha aumentado considerablemente el rendimiento de la batería. Se trata de un electrolito líquido iónico (ILE) de doble anión no volátil y poco inflamable. En las pruebas demostró que era capaz de evitar en gran medida los defectos estructurales del cátodo y salvar a la batería de las reacciones electroquímicas que resultan fatales para ella.
El equipo describe los resultados como "notables". Con esta arquitectura, la batería de metal de litio alcanza una densidad de energía de 560 Wh/kg. Para poner esta cifra en contexto, las mejores baterías de iones de litio de la actualidad tienen densidades de energía de 250 a 300 Wh/kg. Como referencia, se considera que las baterías de los vehículos eléctricos de próxima generación necesitan superar el umbral de los 500 Wh/kg. Hasta ahora, uno de los trabajos más prometedores era el llevado a cabo por un equipo de investigación del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), perteneciente al Departamento de Energía de Estado Unidos, que logró una densidad de energía de 350 Wh/kg manteniendo el 76 % de su capacidad tras 600 ciclos de carga y descarga.
En el caso de esta investigación, el nuevo diseño funcionó notablemente mejor, comenzando con una capacidad de almacenamiento inicial de 214 mAh/g en el material del cátodo y reteniendo el 88 % de esa capacidad tras 1.000 ciclos.
Esta batería de metal de litio también demostró una alta eficiencia coulómbica que indica la proporción entre la energía consumida durante la recarga y la energía real que contiene la batería que puede ser suministrada al vehículo eléctrico. Es decir, indica la eficiencia con la que se transfieren los iones de litio entre el ánodo y el cátodo. Cargar 100 iones de litio y recuperar 100 después de la descarga se correspondería con una eficiencia del 100 %. Según Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de ciencia de fotones en el Laboratorio Nacional del Acelerador de SLAC, las baterías comerciales necesitan una eficiencia de al menos el 99,9 por ciento para ser viables. Los creadores de esta nueva batería de metal de litio aseguran que la suya es capaz de alcanzar un promedio del 99,94 %.
Todavía queda mucho trabajo por hacer para trasladar estos resultados obtenidos a escala de laboratorio al mundo real. Si se logra, una batería estable con esta densidad de energía podría cambiar el rumbo en lo que se refiere al transporte eléctrico en general. No solo sería un cambio radical para los coches eléctricos, en lo que se eliminaría por completo la ansiedad de la autonomía, también para el transporte de mercancías pesadas por carretera y para la aviación eléctrica, que tiene en el elevado peso de las baterías su mayor hándicap.
