Un ingrediente de la pasta de dientes puede hacer que los coches eléctricos lleguen más lejos

Un ingrediente de muchos dentífricos es el fluoruro sódico, un compuesto de flúor. Se añade para proteger los dientes contra la caries. Pero los compuestos que contienen flúor tienen otros usos prácticos que sorprenden. Tanto es así que Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) han descubierto un electrolito fluorado que podría proteger una batería de nueva generación contra la disminución de su rendimiento.

"En el horizonte se vislumbra una nueva generación de baterías para vehículos eléctricos más allá de las de iones de litio", afirma Zhengcheng (John) Zhang, jefe de grupo de la división de Ciencias Químicas e Ingeniería de Argonne.

La química de las baterías que no son de iones de litio ofrece el doble o más de energía almacenada en un determinado volumen o peso en comparación con las de iones de litio. Con ellas, los coches podrían recorrer distancias mucho más largas y, algún día, incluso los camiones y aviones de largo recorrido. Se espera que el uso generalizado de estas baterías ayude a resolver el problema del cambio climático. El principal problema es que su alta densidad energética disminuye rápidamente con cargas y descargas repetidas.

Uno de los principales competidores tiene un ánodo (electrodo negativo) de metal de litio en lugar del grafito que se utiliza normalmente en las baterías de iones de litio. Por eso se llama batería de "metal de litio". El cátodo (electrodo positivo) es un óxido metálico que contiene níquel, manganeso y cobalto (NMC). Aunque puede proporcionar más del doble de densidad energética que una batería de iones de litio, este extraordinario rendimiento desaparece rápidamente en menos de 100 ciclos de carga y descarga.

Solución

La solución del equipo consistió en cambiar el electrolito, un líquido a través del cual los iones de litio se mueven entre el cátodo y el ánodo para implementar la carga y descarga. En las baterías de litio metálico, el electrolito es un líquido formado por una sal que contiene litio disuelta en un disolvente. El origen del problema de los ciclos cortos es que el electrolito no forma una capa protectora adecuada en la superficie del ánodo durante los primeros ciclos. Esta capa, también llamada interfase sólido-electrolito (SEI), actúa como un guardián, permitiendo que los iones de litio entren y salgan libremente del ánodo para cargar y descargar la batería, respectivamente.

Así, el equipo descubrió un nuevo disolvente fluorado que mantiene una robusta capa protectora durante cientos de ciclos. Une un componente fluorado cargado positivamente (catión) con otro componente fluorado cargado negativamente (anión). Esta combinación es lo que los científicos denominan un líquido iónico: un líquido formado por iones positivos y negativos.

"La diferencia clave de 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, quien también añade que "esto marcó la diferencia a la hora de mantener un alto rendimiento durante cientos de ciclos en una célula de litio metálico de prueba".

Nuevo electrolito

Las simulaciones realizadas revelaron que los cationes de flúor se adhieren y acumulan en las superficies del ánodo y del cátodo antes de cualquier ciclo de carga y descarga. Después, durante las primeras fases del ciclo, se forma una capa SEI resistente superior a la que es posible con electrolitos anteriores.

La microscopía electrónica de alta resolución realizada en Argonne y en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico reveló que la capa SEI altamente protectora en el ánodo y el cátodo conducía al ciclado estable.

El equipo fue capaz de ajustar la proporción de disolvente de fluoruro y sal de litio para crear una capa con propiedades óptimas, incluyendo un espesor de SEI que no es demasiado grueso o delgado. Gracias a esta capa, los iones de litio pudieron fluir eficazmente dentro y fuera de los electrodos durante la carga y descarga durante cientos de ciclos.

El nuevo electrolito del equipo también ofrece muchas otras ventajas. Es barato porque puede fabricarse con una pureza y un rendimiento extremadamente altos en un solo paso, en lugar de en varios. Es respetuoso con el medio ambiente porque utiliza mucho menos disolvente, que es volátil y puede liberar contaminantes al medio ambiente. Y es más seguro porque no es inflamable.

"Las baterías de metal de litio con nuestro electrolito de cationes fluorados podrían impulsar considerablemente el sector de los vehículos eléctricos", afirma Zhang. "Y la utilidad de este electrolito se extiende sin duda a otros tipos de sistemas avanzados de baterías más allá del ion litio".