Un nuevo electrolito a base de metal de litio inventado por científicos de la Universidad de Stanford podría allanar el camino para la próxima generación de vehículos eléctricos que funcionan con baterías.
En un estudio publicado en Nature Energy, los investigadores de Stanford demuestran cómo su novedoso diseño de electrolito aumenta el rendimiento de las baterías de metal de litio, una tecnología prometedora para alimentar vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y otros dispositivos.
"La mayoría de los automóviles eléctricos funcionan con baterías de iones de litio, que se están acercando rápidamente a su límite teórico de densidad de energía", dijo el coautor del estudio, Yi Cui , profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de ciencia de fotones en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC . "Nuestro estudio se centró en las baterías de metal de litio, que son más livianas que las baterías de iones de litio y potencialmente pueden entregar más energía por unidad de peso y volumen".
Iones de litio versus metal de litio
Las baterías de iones de litio, que se usan en todo, desde teléfonos inteligentes hasta autos eléctricos, tienen dos electrodos: un cátodo con carga positiva que contiene litio y un ánodo con carga negativa generalmente hecho de grafito. Una solución electrolítica permite que los iones de litio se muevan de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo cuando se usa la batería y cuando se recarga.
Una batería de litio metálico puede contener aproximadamente el doble de electricidad por kilogramo que la batería de iones de litio convencional. Las baterías de metal de litio hacen esto al reemplazar el ánodo de grafito con metal de litio, que puede almacenar significativamente más energía.
"Las baterías de metal de litio son muy prometedoras para los vehículos eléctricos, donde el peso y el volumen son una gran preocupación", dijo el coautor del estudio Zhenan Bao , profesor de KK Lee en la Escuela de Ingeniería . “Pero durante la operación, el ánodo de litio metálico reacciona con el electrolito líquido. Esto provoca el crecimiento de microestructuras de litio llamadas dendritas en la superficie del ánodo, lo que puede hacer que la batería se incendie y falle”.
"El electrolito ha sido el talón de Aquiles de las baterías de metal de litio", dijo el coautor Zhiao Yu, un estudiante graduado en química. "En nuestro estudio, utilizamos la química orgánica para diseñar racionalmente y crear electrolitos nuevos y estables para estas baterías".
Para el estudio, Yu y sus colegas exploraron si podían abordar los problemas de estabilidad con un electrolito líquido común disponible comercialmente. "Presumimos que agregar átomos de flúor a la molécula de electrolito haría que el líquido sea más estable", dijo Yu. “El flúor es un elemento ampliamente utilizado en electrolitos para baterías de litio. Usamos su capacidad de atraer electrones para crear una nueva molécula que permite que el ánodo de metal de litio funcione bien en el electrolito”.
El resultado fue un nuevo compuesto sintético, abreviado FDMB, que se puede producir fácilmente a granel.
"Los diseños de electrolitos se están volviendo muy exóticos", dijo Bao. “Algunos han mostrado ser prometedores pero son muy caros de producir. La molécula FDMB que se le ocurrió a Zhiao es fácil de fabricar en gran cantidad y bastante barata”.
El equipo de Stanford probó el nuevo electrolito en una batería de metal de litio y los resultados fueron espectaculares. La batería experimental retuvo el 90 por ciento de su carga inicial después de 420 ciclos de carga y descarga. En los laboratorios, las baterías típicas de metal de litio dejan de funcionar después de aproximadamente 30 ciclos.
Los investigadores también midieron la eficiencia con la que se transfieren los iones de litio entre el ánodo y el cátodo durante la carga y descarga, una propiedad conocida como "eficiencia culombiana".
"Si carga 1,000 iones de litio, ¿cuántos recupera después de la descarga?" Dijo Cui. “Lo ideal es que quieras 1,000 de 1,000 para una eficiencia culombiana del 100 por ciento. Para ser comercialmente viable, una celda de batería necesita una eficiencia culombiana de al menos el 99,9 por ciento. En nuestro estudio obtuvimos un 99,52 por ciento en las medias celdas y un 99,98 por ciento en las celdas completas; un eficiencia increíble".
El Departamento de Energía de EEUU (DOE) está financiando un gran consorcio de investigación llamado Battery500 para que las baterías de litio metálico sean viables, lo que permitiría a los fabricantes de automóviles construir vehículos eléctricos más livianos que pueden conducir distancias mucho más largas entre cargas. Este estudio fue apoyado en parte por una subvención del consorcio, que incluye a Stanford y SLAC.
Al mejorar los ánodos, electrolitos y otros componentes, Battery500 tiene como objetivo casi triplicar la cantidad de electricidad que una batería de metal de litio puede suministrar, de aproximadamente 180 vatios-hora por kilogramo cuando el programa comenzó en 2016 a 500 vatios-hora por kilogramo. Una mayor relación energía-peso, o "energía específica", es clave para resolver la ansiedad por el alcance que los compradores potenciales de automóviles eléctricos suelen tener.
Además de una vida útil más larga y una mejor estabilidad, el electrolito FDMB también es mucho menos inflamable que los electrolitos convencionales, como lo demostraron los investigadores en el vídeo. "Nuestro estudio básicamente proporciona un principio de diseño que las personas pueden aplicar para obtener mejores electrolitos", agregó Bao. "Acabamos de mostrar un ejemplo, pero hay muchas otras posibilidades".
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