Un nuevo electrolito a base 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 el 22 de junio en Energía natural , los investigadores de Stanford demuestran cómo su novedoso diseño de electrolitos aumenta el rendimiento de las baterías de metal de litio, una tecnología prometedora para alimentar vehículos eléctricos, computadoras portátiles y otros dispositivos.
"La mayoría de los autos 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 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".
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 entreánodo y cátodo cuando se usa la batería y cuando se recarga.
Una batería de metal de litio puede contener aproximadamente el doble de electricidad por kilogramo que la batería de iones de litio convencional de hoy en día. 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 metal de litioreacciona 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 ".
Los investigadores han pasado décadas tratando de abordar el problema de la dendrita.
"El electrolito ha sido el talón de Aquiles de las baterías de metal de litio", dijo el coautor principal Zhiao Yu, un estudiante graduado en química. "En nuestro estudio, utilizamos la química orgánica para diseñar racionalmente y crear electrolitos nuevos y estables paraestas baterías "
Para el estudio, Yu y sus colegas exploraron si podrían abordar los problemas de estabilidad con un electrolito líquido común disponible comercialmente.
"Supusimos la hipótesis de 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. Utilizamos su capacidad para atraer electrones para crear una nueva molécula quepermite que el ánodo de litio metálico 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 demostrado ser prometedores, pero son muy caros de producir. La molécula de 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 litio metálico.
Los resultados fueron dramáticos. 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 qué tan eficientemente 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. "Idealmente, quiere 1,000 de 1,000 para una eficiencia culombiana del 100 por ciento. Para ser comercialmente viable, una celda de batería necesita uneficiencia culombiana de al menos 99.9 por ciento. En nuestro estudio obtuvimos 99.52 por ciento en las medias celdas y 99.98 por ciento en las celdas completas; un rendimiento increíble ".
Para uso potencial en electrónica de consumo, el equipo de Stanford también probó el electrolito FDMB en celdas de bolsa de metal de litio sin ánodo, baterías disponibles en el mercado con cátodos que suministran litio al ánodo.
"La idea es usar solo litio en el lado del cátodo para reducir el peso", dijo el coautor principal Hansen Wang, un estudiante graduado en ciencias e ingeniería de materiales. "La batería sin ánodo funcionó 100 ciclos antes de que su capacidad cayera a80 por ciento: no tan bueno como una batería de iones de litio equivalente, que puede durar de 500 a 1,000 ciclos, pero sigue siendo una de las celdas sin ánodo de mejor rendimiento ".
"Estos resultados son prometedores para una amplia gama de dispositivos", agregó Bao. "Las baterías livianas y sin ánodos serán una característica atractiva para los drones y muchos otros productos electrónicos de consumo".
El Departamento de Energía de los Estados Unidos 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 puedan conducir distancias mucho más largas entre cargas. Este estudio fue apoyado en partepor una subvención del consorcio, que incluye 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 litio metálico puede suministrar, de aproximadamente 180 vatios-hora por kilogramo cuando el programa comenzó en 2016 a 500 vatios-hora por kilogramo.Una relación energía-peso más alta, o "energía específica", es clave para resolver la ansiedad de alcance que los compradores potenciales de automóviles eléctricos suelen tener.
"La batería libre de ánodo en nuestro laboratorio alcanzó aproximadamente 325 vatios-hora por kilogramo de energía específica, un número respetable", dijo Cui. "Nuestro siguiente paso podría ser trabajar en colaboración con otros investigadores en Battery500 para construir células que se acerquen alobjetivo del consorcio de 500 vatios-hora por kilogramo "
Además de una vida útil más larga y una mejor estabilidad, el electrolito FDMB también es mucho menos inflamable que los electrolitos convencionales.
"Nuestro estudio básicamente proporciona un principio de diseño que las personas pueden aplicar para obtener mejores electrolitos", agregó Bao. "Solo mostramos un ejemplo, pero hay muchas otras posibilidades".
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