En una batería de litio convencional, el electrolito es un líquido que permite el flujo de iones de litio entre el cátodo y el ánodo. Generalmente, es una sal de litio disuelta en un solvente orgánico. Esta combinación crea una solución conductora que permite el movimiento entre los electrodos durante la carga y descarga de la batería. Pero, lo que trae de cabeza a fabricantes e investigadores es su mayor inconveniente: es inflamable. Por eso, requiere un manejo adecuado para garantizar la seguridad, como el sellado de las baterías, que minimiza el riesgo de incendios o explosiones.
Ahora, el equipo de científicos del Laboratorio de Argonne ha logrado un avance que les ha dibujado una sonrisa en la boca. Ha desarrollado un nuevo electrolito que contiene un ingrediente habitual en muchas pastas de dientes: el fluoruro de sodio. Su trabajo ha demostrado que es compatible con las futuras baterías de metal de litio que alimentarán los próximos vehículos eléctricos. Entre sus propiedades más importantes, están que aumentará en gran medida su autonomía, reducirá el coste de fabricación y permitirá un funcionamiento más seguro, ya que se trata de un electrolito no inflamable.
En los dentífricos, se añade para proteger los dientes contra las caries. Pero los compuestos que contienen flúor tienen además otros usos prácticos y sorprendentes. Un electrolito que contenga fluoruro podría proteger una batería de metal de litio contra la pérdida de rendimiento.
Según afirma Zhengcheng (John) Zhang, director de la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne, en la revista Nature Communications, donde se ha publicado la investigación, “una nueva y emocionante generación de tipos de baterías para vehículos eléctricos más allá de los iones de litio está en el horizonte”.
La química de las baterías que no son de iones de litio ofrece el doble o más de densidad energética, es decir, en el mismo volumen o peso almacena el doble de energía. Esto significa que se duplicaría la autonomía de un vehículo eléctrico y se abriría la viabilidad del uso de baterías en camiones pesados o aviones. Sin embargo, el problema principal es la degradación: esta alta densidad energética disminuye rápidamente con la carga y descarga repetidas.
Las baterías del futuro
En el caso de las baterías de metal de litio, el ánodo (electrodo negativo) está hecho de metal de litio en lugar de grafito, que normalmente se usa en las baterías de iones de litio. De ahí su denominación. El cátodo (electrodo positivo) es un óxido metálico que contiene la terna níquel, manganeso y cobalto (NMC). Así configurado, ofrece una densidad energética extraordinaria que se desvanece en menos de cien ciclos de carga y descarga. Y la culpa es del electrolito.
En estas baterías, es un líquido formado por una sal que contiene litio disuelta en un solvente. La fuente del problema del corto ciclo de vida es que el electrolito no forma una capa protectora adecuada en la superficie del ánodo durante los primeros ciclos. Esta capa, también llamada interfase de electrolito sólido (SEI), actúa como un guardián permitiendo que los iones de litio entren y salgan libremente del ánodo para cargar y descargar la batería.
La ‘pasta de dientes’ que protege las baterías
El trabajo en el laboratorio con el nuevo solvente creado a partir de fluoruro ha demostrado que se mantiene durante cientos de ciclos. Acopla un componente fluorado que tiene carga positiva (catión) con un componente fluorado diferente que tiene carga negativa (anión).
Esta combinación, lo que los científicos llaman líquido iónico, consta de iones positivos y negativos. “La diferencia clave en nuestro nuevo electrolito es la sustitución de átomos de hidrógeno por flúor en la estructura anular de la parte catiónica del líquido iónico”, explica Zhang. “Esto marca la diferencia a la hora de mantener un alto rendimiento durante cientos de ciclos en una celda de metal de litio de prueba”.
Las simulaciones en la supercomputadora Theta de ALCF (Argonne Leadership Computing Facility) revelaron que los cationes de flúor se adhieren y se acumulan en las superficies del ánodo y el cátodo previamente al primer ciclo de carga y descarga. A partir de ahí, durante los primeros ciclos, se forma una capa SEI cuya resistencia es superior a la que muestran los electrolitos anteriores.
A través del microscopio electrónico se observa que la capa SEI es altamente protectora para el ánodo y para el cátodo, lo que conduce a estabilizar los ciclos de carga y descarga. El equipo pudo ajustar la proporción de solvente de fluoruro en la sal de litio para crear una capa con propiedades óptimas con un espesor SEI que no es ni demasiado grueso ni demasiado delgado para que los iones de litio puedan entrar y salir de los electrodos a través de ella de manera eficiente durante cientos de ciclos.
El nuevo electrolito también ofrece otras ventajas. Tienen un coste de fabricación muy bajo, porque puede fabricarse con una pureza y un rendimiento extremadamente altos en un solo paso en lugar de múltiples pasos. Es respetuoso con el medio ambiente, ya que necesita mucho menos disolvente, que es producto volátil y que puede liberar contaminantes al medio ambiente. Por último, y no menos importante, es más seguro, ya que no es inflamable.
“Con nuestro electrolito catiónico fluorado, las baterías de metal de litio podrían impulsar considerablemente la industria de los vehículos eléctricos”, afirma Zhang, aunque "la utilidad de este electrolito, sin duda, se extiende a otros tipos de sistemas de baterías avanzadas más allá del ion de litio".
