Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un avance en la química de los electrolitos que permite que las baterías de litio funcionen a temperaturas tan bajas como -60 grados Celsius con un excelente rendimiento; en comparación, las baterías de iones de litio de hoy en día dejan de funcionar a -20grados Celsius. Los nuevos electrolitos también permiten que los condensadores electroquímicos funcionen a temperaturas tan bajas como -80 grados Celsius, su límite de temperatura baja actual es de -40 grados Celsius. Si bien la tecnología permite un funcionamiento a temperaturas extremadamente bajas, aún se mantiene un alto rendimiento a temperatura ambiente.La nueva química de electrolitos también podría aumentar la densidad de energía y mejorar la seguridad de las baterías de litio y los condensadores electroquímicos.
El trabajo será publicado en línea por la revista ciencia el jueves 15 de junio de 2017.
La tecnología podría permitir que los vehículos eléctricos en climas fríos viajen más lejos con una sola carga, aliviando la ansiedad de alcance durante el invierno en lugares como Boston. La tecnología también podría usarse para impulsar naves en el frío extremo, como los drones WiFi de alta atmósferay globos meteorológicos, satélites, rovers interplanetarios y otras aplicaciones aeroespaciales.
Las baterías y los condensadores electroquímicos que desarrollaron los investigadores son especialmente resistentes al frío porque sus electrolitos están hechos de disolventes de gas licuado, gases que se licúan a presiones moderadas, que son mucho más resistentes a la congelación que los electrolitos líquidos estándar. La nueva batería de litioel electrolito se hizo usando gas licuado de fluorometano. El electrolito condensador electroquímico se hizo usando gas licuado de difluorometano.
"La descarbonización profunda depende de los avances en las tecnologías de almacenamiento de energía. Se necesitan mejores baterías para fabricar autos eléctricos con mejores relaciones de rendimiento a costo. Y una vez que se amplía el rango de temperatura para las baterías, los ultracondensadores y sus híbridos,Estas tecnologías de almacenamiento de energía electroquímica se pueden adoptar en muchos más mercados emergentes. Este trabajo muestra un camino prometedor y creo que el éxito de este enfoque no convencional puede inspirar a más científicos e investigadores a explorar los territorios desconocidos en esta área de investigación ", dijo Shirley Meng,profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del estudio. Meng dirige el Laboratorio de Almacenamiento y Conversión de Energía y es el director del Centro de Energía y Energía Sostenible, ambos en UC San Diego.
"En general, se acepta que el electrolito es el principal cuello de botella para mejorar el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía de la próxima generación", dijo Cyrus Rustomji, investigador postdoctoral en el grupo de Meng y primer autor del estudio. "Los electrolitos a base de líquido han sido exhaustivamenteinvestigado y muchos ahora están centrando su atención en electrolitos de estado sólido. Hemos tomado el enfoque opuesto, aunque arriesgado, y exploramos el uso de electrolitos a base de gas ".
Los investigadores de UC San Diego son los primeros en explorar los electrolitos a base de gas para dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica.
En el futuro, esta tecnología podría usarse para impulsar naves espaciales para la exploración interplanetaria. "Los rovers de Marte tienen una especificación de baja temperatura que la mayoría de las baterías existentes no pueden cumplir. Nuestra nueva tecnología de baterías puede cumplir con estas especificaciones sin agregar elementos de calefacción caros y pesados".Dijo Rustomji.
Al llevar a cabo este proyecto, el equipo de UC San Diego se dio cuenta de que los gases tienen una propiedad que los haría funcionar particularmente bien a temperaturas donde los electrolitos líquidos convencionales se congelarían, baja viscosidad ". La baja viscosidad conduce a una alta movilidad de iones, lo que significa una alta movilidadconductividad para la batería o el condensador, incluso en el frío extremo ", dijo Rustomji.
El equipo exploró una gama de posibles candidatos a gas pero se centró en dos nuevos electrolitos: uno basado en fluorometano licuado para baterías de litio y el otro basado en difluorometano licuado para condensadores electroquímicos.
Además de su rendimiento excepcional a baja temperatura, estos electrolitos ofrecen una ventaja de seguridad única. Mitigan un problema llamado fuga térmica, que es cuando la batería se calienta lo suficiente como para desencadenar una cadena peligrosa de reacciones químicas que a su vez calientan elbatería aún más. Con estos nuevos electrolitos, la batería no podrá autocalentarse a temperaturas mucho más altas que la temperatura ambiente. Esto se debe a que a altas temperaturas, estos electrolitos pierden la capacidad de disolver sales, por lo que la batería pierde conductividad y deja de funcionar.
"Este es un mecanismo de apagado natural que evita que la batería se sobrecaliente", dijo Rustomji. Otra buena característica, señaló, es que este mecanismo es reversible ". Tan pronto como la batería se calienta demasiado, se apaga. Pero cuandose enfría nuevamente, comienza a funcionar nuevamente. Eso es poco común en las baterías convencionales "
Además, dijo Rustomji, en condiciones más severas, como un accidente automovilístico cuando la batería se aplasta y se cortocircuita, el gas electrolítico puede salir de la celda y, debido a la falta de conductividad electrolítica, evitar la reacción térmica desbocada que podríade lo contrario, será difícil de evitar con electrolitos líquidos convencionales.
Electrolito compatible para ánodos de metal de litio
Meng, Rustomji y sus colegas han dado un gran paso adelante para lograr otro sueño largamente buscado por los investigadores de baterías: hacer un electrolito que funcione bien con el ánodo de metal de litio. El litio se considera el mejor material del ánodo porque puede almacenar más carga queánodos existentes y es más ligero. Un problema es que el metal de litio reacciona con electrolitos líquidos convencionales. Estas reacciones químicas hacen que el metal de litio tenga una baja eficiencia de Coulombic, lo que significa que solo puede experimentar un número limitado de ciclos de carga y descarga antes de que la batería deje de funcionar.
Otro problema al usar electrolitos líquidos convencionales con un ánodo de litio metálico es que con ciclos repetidos de carga y descarga, el litio puede acumularse en puntos particulares del electrodo. Esto causa el crecimiento de estructuras en forma de aguja llamadas dendritas que pueden perforar partes delbatería, provocando un cortocircuito.
Los enfoques anteriores para mejorar estos problemas incluyen: el uso de electrolitos de baja viscosidad; la aplicación de alta presión mecánica sobre el electrodo; y el uso de los llamados aditivos de electrolitos fluorados para formar una composición química ideal en la superficie del electrodo de metal de litio. El nuevo gas licuadoLos electrolitos desarrollados por el equipo de UC San Diego combinan estos tres aspectos clave en un solo sistema de electrolitos. La interfase posterior formada en el electrodo es una superficie altamente uniforme y libre de dendritas que permite una alta eficiencia de Coulombic de más del 97 por ciento y una conductividad de batería mejoradaEsta es también la primera vez que se demuestra que un electrolito tiene un alto rendimiento tanto en metal de litio como en materiales de cátodo clásico, lo que podría permitir un aumento sustancial en la densidad de energía general de las baterías, dijeron los investigadores.
Próximos pasos
En el futuro, los investigadores apuntan a mejorar la densidad de energía y la ciclabilidad de las baterías y los condensadores electroquímicos y funcionar a temperaturas aún más bajas, hasta -100 grados Celsius. Este trabajo podría conducir al desarrollo de una nueva tecnología para impulsar las naves espaciales enviadaspara explorar los planetas exteriores como Júpiter y Saturno.
Rustomji lidera un equipo con sede en UC San Diego que trabaja para comercializar esta tecnología a través de una startup llamada South 8 Technologies.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Liezel Labios. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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