Un equipo de investigadores de la Universidad Sungkyunkwan (SKKU) y de la Universidad Nacional de Seúl ha desarrollado un nuevo polímero híbrido que podría marcar un avance relevante en la fabricación de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. La tecnología permite fabricar electrodos más gruesos, capaces de almacenar más energía, sin sacrificar la durabilidad de la batería y utilizando las actuales líneas de producción, lo que abre la puerta a coches eléctricos con una mayor autonomía y una vida útil que puede llegar a duplicar la de las baterías convencionales.
El trabajo, liderado por el profesor Ki-Jae Kim, del Departamento de Ciencia de la Energía y del Departamento de Ingeniería de Energía del Futuro de la SKKU, junto con el equipo de investigación de Jang Wook Choi, aborda uno de los principales obstáculos que encuentra la industria para aumentar la capacidad de las baterías. Aunque fabricar electrodos más gruesos permite incrementar la cantidad de energía almacenada y, por tanto, la autonomía de los vehículos eléctricos, este proceso provoca problemas durante la fabricación que reducen considerablemente el rendimiento y la vida útil de las celdas.
86,8% de su capacidad inicial después de superar los 200 ciclos
El principal responsable es el aglutinante o binder, el material que mantiene unidos los componentes del electrodo. En las baterías actuales se emplea habitualmente fluoruro de polivinilideno (PVDF), que durante el proceso de secado tiende a desplazarse hacia la superficie cuando el electrodo es muy grueso. Como consecuencia, aparecen grietas y desprendimientos que debilitan la estructura del electrodo, dificultan el movimiento de los iones de litio y aceleran la degradación de la batería.
Para superar este problema, los investigadores desarrollaron un nuevo aglutinante híbrido de doble acción (DHP) que combina dos polímeros con propiedades complementarias: el elastano o spandex, conocido por su elevada elasticidad, y el ácido poliacrílico (PAA), que presenta una gran capacidad de interacción con los materiales del electrodo. La combinación permite mantener la integridad estructural incluso en electrodos de gran espesor, evitando la aparición de grietas y mejorando tanto la resistencia mecánica como el transporte de los iones de litio.
Las pruebas realizadas mostraron que el nuevo material prácticamente duplica la fuerza de adhesión respecto a los aglutinantes convencionales basados en PVDF. Además, durante los primeros ciclos de carga y descarga se forma de manera espontánea una interfaz entre el litio y el PAA que facilita el desplazamiento de los iones dentro del electrodo. Este mecanismo favorece un transporte más rápido y uniforme del litio, mejorando significativamente el comportamiento electroquímico de la batería.
El equipo también validó la tecnología fabricando celdas comerciales de gran capacidad en formato tipo pouch, similares a las empleadas en aplicaciones industriales. Los resultados reflejan una mejora sustancial de la durabilidad. Mientras que las baterías equipadas con aglutinantes tradicionales experimentaron una fuerte pérdida de capacidad y dejaron de funcionar tras aproximadamente 95 ciclos de carga y descarga, las que incorporaban el nuevo polímero conservaron el 86,8% de su capacidad inicial después de superar los 200 ciclos, lo que supone más del doble de vida útil.
Potencial industrial
Los investigadores destacan además el potencial industrial de la innovación, ya que puede incorporarse a los procesos actuales de fabricación mediante tecnología húmeda, sin necesidad de modificar las líneas de producción ni realizar inversiones en nuevos equipos. Esto permitiría a los fabricantes producir baterías de mayor capacidad aprovechando las infraestructuras existentes, reduciendo los costes asociados a la implantación de nuevas tecnologías de fabricación.
Según explicó Ki-Jae Kim, hasta ahora el incremento del grosor y del tamaño de los electrodos estaba limitado por los problemas asociados a los aglutinantes convencionales y al propio proceso de fabricación, lo que restringía el rendimiento de las baterías. El investigador aseguró que la combinación de las propiedades del elastano y del ácido poliacrílico ha permitido superar esta barrera y destacó que la nueva tecnología es especialmente atractiva para la industria porque puede implantarse en las actuales líneas de producción sin recurrir a los procesos de fabricación en seco que están surgiendo como alternativa para las baterías de nueva generación. En su opinión, este desarrollo podría desempeñar un papel clave para aumentar la autonomía de los próximos vehículos eléctricos.
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