Las baterías de litio-metal podrían dar un nuevo salto en prestaciones gracias a una mejora que no afecta ni al ánodo ni al cátodo, sino a una pieza situada entre ambos: el separador. Un equipo de investigadores de Corea del Sur ha desarrollado un nuevo material que permite a estas baterías funcionar mejor cuando tienen que entregar mucha energía de forma rápida y que, además, ayuda a evitar uno de los principales problemas del litio-metal: la formación de pequeñas estructuras en forma de aguja que pueden acabar dañando la batería.
El nuevo separador, desarrollado por investigadores de la Universidad Nacional de Hanbat, ha conseguido aumentar en torno a un 42% la capacidad que mantiene una batería de litio-metal cuando se descarga a una velocidad elevada. En concreto, a una tasa de descarga de 4C, las celdas equipadas con el nuevo separador alcanzaron una capacidad de 163 mAh por gramo, frente a los 115 mAh/g de las baterías que utilizaban un separador convencional de polietileno.
El resultado es relevante porque las baterías de litio-metal son una de las alternativas que se investigan para conseguir almacenar más energía en menos espacio. El litio metálico puede almacenar mucha más carga que los materiales utilizados habitualmente en los ánodos de las baterías actuales. Si además se combina con cátodos con un elevado contenido de níquel, como el NCM90, la tecnología puede alcanzar una densidad energética elevada.
El problema aparece cuando estas baterías tienen que trabajar a gran velocidad. Al cargar o descargar rápidamente, los iones de litio pueden no repartirse de manera uniforme dentro de la batería. En el lado del litio-metal esto puede provocar la aparición de unas estructuras alargadas y puntiagudas conocidas como dendritas.
Estas dendritas pueden deteriorar la capa protectora que se forma sobre el litio, consumir parte del material de la batería y, en situaciones extremas, atravesar el separador que mantiene aislados el ánodo y el cátodo. Si llegan a entrar en contacto ambos electrodos, pueden provocar un cortocircuito interno.
Un separador que hace algo más que separar
Para tratar de solucionar este problema, los investigadores han creado un separador basado en celulosa al que han añadido bikitaíta, un tipo de zeolita. El material ha sido denominado CBT.
El separador cumple la función básica de cualquier separador de una batería: mantener separados los dos electrodos para evitar que entren en contacto. Pero su estructura también facilita el movimiento de los iones de litio de un lado al otro de la celda.
Esto permite que los iones se distribuyan de una manera más rápida y uniforme. Dicho de forma sencilla, el nuevo separador ayuda a que el litio se mueva mejor por el interior de la batería, algo especialmente importante cuando se le exige funcionar a gran potencia.
Y el efecto no se limita al ánodo de litio-metal. Los investigadores comprobaron que el nuevo material también mejora el funcionamiento del cátodo NCM90, situado en el otro extremo de la batería.
Las diferencias son pequeñas cuando la batería funciona a baja velocidad, pero aumentan conforme se incrementa la exigencia. A una tasa de descarga de 1C, las celdas con el nuevo separador y las convencionales ofrecieron prácticamente el mismo resultado, alrededor de 197 mAh/g.
Sin embargo, a 2C, la capacidad de las celdas con CBT fue de 187 mAh/g, frente a los 165 mAh/g de las convencionales. Y cuando la descarga alcanzó 4C, la diferencia se hizo mucho mayor: 163 mAh/g frente a 115 mAh/g. En este último caso, la mejora fue de aproximadamente un 42%.
En la práctica, esto significa que la nueva batería consigue mantener una mayor parte de su capacidad cuando se le pide entregar mucha energía en poco tiempo.
También reduce la formación de dendritas
Las pruebas realizadas por los investigadores mostraron además que el nuevo separador ayuda a controlar el comportamiento del litio-metal. Durante las observaciones realizadas mientras la batería funcionaba, no se apreciaron dendritas visibles en las celdas equipadas con CBT.
En su lugar, el litio se depositó de una manera más uniforme, formando una capa más compacta. También se retiró de forma más homogénea cuando la batería funcionaba en sentido contrario.
Este comportamiento puede contribuir a alargar la vida útil de las celdas, ya que evita que se consuma de manera innecesaria parte del litio y del electrolito, los materiales que permiten que la batería almacene y transporte la carga.
Los resultados a largo plazo también fueron significativos. En las pruebas realizadas con las baterías cargándose a 2C y descargándose a 4C, las celdas con el nuevo separador conservaron alrededor del 60% de su capacidad después de unos 2.500 ciclos.
El material también mantuvo un comportamiento estable a bajas temperaturas. Después de 150 ciclos a -25 grados centígrados, las celdas conservaron aproximadamente el 68,9% de su capacidad inicial. Además, el separador mantuvo su estructura a temperaturas de hasta 200 grados.
Una vía para mejorar las baterías sin cambiar sus materiales principales
El interés de este desarrollo está también en la forma relativamente sencilla en la que podría incorporarse a futuras baterías. Para mejorar una celda mediante un nuevo ánodo o un nuevo cátodo suele ser necesario modificar buena parte del proceso de fabricación. En cambio, los separadores ya son componentes habituales de las baterías y existen tecnologías comerciales que, por ejemplo, utilizan recubrimientos cerámicos para mejorar sus prestaciones.
Esto no significa que el nuevo separador esté listo para llegar al mercado. El trabajo se ha realizado todavía en una fase de investigación y será necesario comprobar su comportamiento en baterías de mayor tamaño y en formatos utilizados comercialmente, como las celdas cilíndricas o las conocidas como pouch.
Los investigadores consideran, no obstante, que el estudio demuestra que el separador puede tener un papel mucho más importante del que se le ha atribuido tradicionalmente. En lugar de ser simplemente una barrera que mantiene separados los dos lados de la batería, puede utilizarse para controlar cómo se mueven los iones de litio y mejorar el funcionamiento de toda la celda.
El objetivo último es combinar dos características que siguen siendo difíciles de conseguir al mismo tiempo: baterías capaces de almacenar mucha energía y que, además, puedan cargar y descargar rápidamente sin perder prestaciones de forma acelerada.
Deja tu comentario
Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Todos los campos son obligatorios