Los hándicaps que todavía deben superar los coches eléctricos (velocidad de carga, autonomía, degradación) dependen en gran medida de los avances en el desarrollo de baterías. Por ahora, las de iones de litio dominan el mundo, aunque varias tecnologías buscan sustituirlas en un futuro. Una de ellas son las de litio-aire (o litio-oxígeno), cuya densidad energética puede ser muy superior, si se logran superar algunas de las barreras que por ahora impiden que sean viables técnica y económicamente.
En una batería de iones de litio el electrodo negativo es de grafito, el positivo de un óxido de metal, como óxido de litio cobalto, y el electrolito es una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico. La acción de la batería depende del movimiento de los iones de litio entre los electrodos. Las baterías de iones de litio se deterioran con el tiempo y sus densidades de energía, relativamente bajas, implican que necesitan ser recargadas con frecuencia.
Con ellas, para que un vehículo eléctrico rinda más con una sola carga es necesario hacerlas más grandes y, por lo tanto, más pesadas y más caras. Un camino que no siempre es el más acertado. El otro es aumentar la capacidad de la batería manteniendo el volumen y el peso. Esta estrategia requiere replantearse las celdas de la batería y, a menudo, alterar la fórmula química de los electrodos, el electrolito o ambos. Las baterías de estado sólido, por ejemplo, tienen densidades de energía más altas, pero tienen una vida útil muy corta.
Los desafíos de las baterías de litio-aire
Las baterías de litio-aire son consideradas como las baterías del futuro. Su densidad energética teórica puede multiplicar por diez a las de iones de litio. Podrían ofrecer autonomías de 600 kilómetros con una sola carga con menos peso ofreciendo además una mayor vida útil.
Sin embargo, los prototipos creados hasta ahora solo funcionan con oxígeno puro, ofreciendo una tasa de rendimiento pobre y con reacciones químicas indeseadas, lo que dificulta su desarrollo. Su diseño implica un electrodo negativo de metal de litio y un electrolito no acuoso. Estas celdas electroquímicas aprovechan la oxidación de litio del ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo.
Hasta ahora, nadie ha podido resolver los muchos problemas que tienen este tipo de celdas. Son notoriamente inestables porque el litio metálico reacciona tanto con la humedad del aire como con el agua del electrolito. Su eficiencia también es muy baja porque la diferencia de voltaje de carga y descarga es muy grande, lo que provoca pérdidas de energía.
La fórmula perfecta para superar las dificultades
Los científicos del Instituto de Tecnología de Illinois aseguran que han encontrado la fórmula para hacer las baterías de Litio-aire comercialmente viables. Su solución multiplica por cuatro la densidad de potencia de las mejores baterías de iones de litio actuales.
El equipo dirigido por el profesor Mohammad Asadi ha creado un nuevo electrolito sólido que combina un polímero con cerámica, una fórmula muy común. Ambos tienen desventajas cuando se usan por separado pero, cuando se combinan, reúnen la alta conductividad iónica de la cerámica y la estabilidad y alta conexión interfacial del polímero.
El nuevo electrolito sólido está compuesto de un óxido de polietileno cerámico que permite que la formación y descomposición de dióxido de litio se produzca a altas velocidades y a temperatura ambiente, una novedad en una batería de litio-aire. El diseño tiene el potencial de almacenar 1 kWh/kg (o incluso más), lo que supone una densidad de energía cuatro veces superior a las baterías de iones de litio actuales más avanzadas de la industria, producidas por Tesla. El equipo asegura que puede aumentar más estas cifras a través de la optimización.
“El electrolito sólido contribuye con alrededor del 75% de la densidad de energía total. Esto indica que hay mucho margen de mejora, porque creemos que podemos minimizar su grosor sin comprometer el rendimiento, lo que nos permitiría lograr una densidad de energía muy alta”, asegura Asadi.
El nuevo electrolito muestra una conductividad iónica elevada y una alta estabilidad en el ciclado de carga y descarga. Según el artículo publicado en Nature, en el que se describe la investigación, la nueva batería puede soportar 1.000 ciclos a altas tasas de carga y descarga sin degradarse.
