Para los científicos que trabajan en la investigación y desarrollo de las baterías de los vehículos eléctricos y para los ingenieros que las diseñan, el agua suele tratarse como un gran enemigo. Las baterías de iones de litio deben fabricarse en condiciones extremadamente secas para que puedan almacenar grandes cantidades de carga. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne, del Departamento de Energía de Estados Unidos ha descubierto un tipo específico de electrolito que se puede emplear en las baterías de iones de litio y que puede, literalmente, retener agua y abaratar su coste de fabricación.
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. Basándose en modelos detallados de electrolitos creados a través de simulaciones por computadora anteriores, con diferentes condiciones ambientales, los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne desarrollaron un nuevo electrolito de batería que puede contener mil veces más proporción de agua que los electrolitos convencionales, según explica el químico de baterías de Argonne. Zhengcheng "John" Zhang.
"Siempre pensamos que el agua iba a causar problemas importantes a una batería de iones de litio. Sin embargo, resulta que nuestra formulación puede contener mucho más agua de lo que se suponía anteriormente, lo que puede ayudar a reducir los costes en la fabricación de baterías", asegura Zhang.
Debido a que las baterías de iones de litio son "baterías de celda seca", solo pueden contener trazas de humedad, lo que requiere la necesidad de construir instalaciones para su fabricación con unas condiciones ambientales muy especiales. Sin embargo, al usar un electrolito compuesto por dos tipos de sales, una sal de litio y un líquido iónico, el equipo pudo crear unas condiciones en la que podía absorber de manera estable muchas más moléculas de agua.
Para respaldar los resultados de su experimento e investigar el mecanismo químico subyacente, el científico computacional de Argonne, Wei Jiang, utilizó la supercomputadora Theta de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación de la Oficina de Ciencias del DOE. Gracias a este equipo, pudo realizar mediciones y simulaciones del electrolito cerca de la superficie del electrodo para obtener una imagen del comportamiento de las moléculas de agua.
"Modelar este proceso tan complejo, que involucra múltiples escalas de tiempo y espacio, requiere el poder de cálculo de una supercomputadora como Theta", explica Jiang. "Las simulaciones nos brindaron una visión a escala atómica de cómo afecta el agua en el rendimiento de la batería, brindando información que no era posible obtener realizando únicamente experimentos de laboratorio".
El rendimiento de una batería se ve reducido incluso con la presencia de pequeñas cantidades de agua. Esto se debe a que las moléculas de agua, al acumularse, crean los que este grupo de científicos ha denominado "charcos a nanoescala", que reaccionan con el electrolito generando subproductos corrosivos que devoran la batería.
Sin embargo, gracias a estas simulaciones, el equipo encontró la fórmula para crear un nuevo electrolito compuesto por una sal de litio y un líquido iónico, que puede separar y volver a unir el agua, secuestrando moléculas de agua individuales. El trabajo experimental del equipo de Argonne muestra que las moléculas de agua no se juntan en "charcos" y, por lo tanto, pierden reactividad. Este novedoso electrolito puede contener mil veces más agua que los electrolitos que se usan actualmente en las baterías de los vehículos eléctricos.
"Incluso en las superficies de los electrodos, que son susceptibles a la acumulación de agua, nuestras simulaciones muestran que las moléculas de agua individuales son muy estables", asegura Jiang. Al analizar la agrupación de las moléculas de agua en la matriz de electrolitos, las simulaciones por computadora han identificado una relación cuantitativa entre la tolerancia al agua del electrolito y el la cantidad de sal que contienen los componentes del electrolito. De esta manera, "Hasta cierto punto, tener un electrolito salado nos permite retener agua", dice Zhang. "La molécula de agua queda atrapada por los diferentes iones en un rango específico de relaciones de concentración en el medio salado, y eso lo hace menos reactivo".
Como consecuencia, este estudio proporciona una vía potencial para que los fabricantes de incorporen agua en el proceso de fabricación de baterías, lo que permitirá que sea menos costoso y más respetuoso con el medio ambiente.
