Más allá de las especificaciones técnicas que puede ofrecer la batería de un vehículo eléctrico, sus problemas de seguridad, durabilidad y buen funcionamiento a temperaturas críticas se deben al electrolito líquido. Este componente clave de la batería es el que se encarga de transferir las partículas portadoras de carga, los iones, de un electrodo a otro de la batería, lo que hace que se cargue y descargue.
A altas temperaturas, es el responsable de propagar la fuga térmica que puede acabar incendiando una batería. A bajas temperaturas, este líquido comienza a congelarse, perdiéndose toda la capacidad de generar electricidad. En muchas ocasiones, esta condición limita severamente la efectividad del proceso de carga de los vehículos eléctricos, lo que supone un gran problema en las regiones más frías.
Por eso, a muchos de los propietarios de un vehículo eléctrico les preocupa la eficacia de su batería cuando la temperatura desciende. Ahora, una nueva química de batería puede resolver este problema. Los científicos han desarrollado un electrolito nuevo y mucho más seguro para las baterías de iones de litio que funciona tan bien en condiciones frías como a temperatura ambiente.
El equipo de investigadores de los laboratorios nacionales Argonne y Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado un electrolito que contiene flúor, capaz de funcionar bien incluso en temperaturas bajo cero.
"Nuestro equipo no solo encontró un electrolito anticongelante cuyo rendimiento de carga no disminuye a -20ºC, sino que también descubrimos, a nivel atómico, qué lo hace tan efectivo", afirma Zhengcheng "John" Zhang, líder de grupo en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne.
La ‘química del frío’
Este electrolito de baja temperatura promete funcionar tanto en baterías de vehículos eléctricos, en sistemas de almacenamiento de energía estacionarios y en dispositivos electrónicos de consumo como ordenadores y teléfonos. En las baterías de iones de litio actuales, el electrolito es una mezcla de una sal ampliamente disponible (hexafluorofosfato de litio) y solventes como el carbonato de etileno, encargados de disolver la sal para formar un líquido.
Cuando se carga una batería, el electrolito líquido transporta iones de litio desde el cátodo (un óxido que contiene litio) al ánodo (generalmente de grafito). Estos iones salen del primero y pasan a través del electrolito en su camino hacia el segundo. Mientras se transportan a través del electrolito, se colocan en el centro de grupos formados por cuatro o cinco moléculas de solvente.
Durante las cargas iniciales, estos grupos golpean la superficie del ánodo y forman una capa protectora llamada interfase de electrolito sólido. Una vez formada, esta capa actúa como un filtro. Permite que solo los iones de litio pasen a través de la capa mientras bloquea las moléculas de solvente. De esta forma, durante la carga, el ánodo puede almacenar átomos de litio en la estructura de grafito. Tras la descarga, las reacciones electroquímicas liberan electrones del litio que generan electricidad.
A temperaturas frías, el electrolito formado por solventes de carbonato comienza a congelarse. Como resultado, pierde la capacidad de transportar iones de litio hasta el ánodo durante la carga. Esto se debe a que los iones de litio están muy unidos dentro de los grupos de solventes. Por lo tanto, estos iones requieren mucha más energía para salir de sus grupos y penetrar la capa de interfaz. Por esa razón, los científicos han estado buscando un mejor solvente.
El equipo investigó con varios disolventes que contenían flúor. Identificaron la composición con la barrera de energía más baja para liberar iones de litio de los grupos a temperaturas bajo cero. También determinaron, a escala atómica, por qué esa composición particular funcionó tan bien. Dependía de la posición de los átomos de flúor dentro de cada molécula de solvente y su número.
En las pruebas con celdas prototipo de laboratorio, este electrolito fluorado retuvo una capacidad de almacenamiento de energía estable durante 400 ciclos de carga y descarga a -20 ºC. Incluso a esa temperatura bajo cero, la capacidad era equivalente a la de una celda con un electrolito basado en carbonato convencional a temperatura ambiente.
“Nuestra investigación demostró cómo adaptar la estructura atómica de los solventes de los electrolitos para diseñar otros nuevos específicos para temperaturas bajo cero”, afirmó Zhang.
El electrolito anticongelante tiene una propiedad adicional. Es mucho más seguro que los electrolitos a base de carbonato que se utilizan actualmente, ya que no se incendia. “Estamos patentando nuestro electrolito más seguro y de baja temperatura y ahora estamos buscando un socio industrial para adaptarlo a uno de sus diseños para baterías de iones de litio”, afirmó Zhang.
