09.03.2021 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Construido para durar: Nuevo aglutinante de copolímero para prolongar la vida de las baterías de iones de litio

Los científicos desarrollan un nuevo material aglutinante que protege el ánodo de grafito de las baterías de iones de litio de la degradación incluso después de 1.700 ciclos

Cualquiera que tenga un teléfono inteligente desde hace más de un año es probablemente consciente de que su batería de iones de litio (Li) incorporada no mantiene tanta carga como cuando el dispositivo era nuevo. La degradación de las baterías de iones de litio es un problema grave que limita en gran medida la vida útil de los dispositivos electrónicos portátiles, causando indirectamente enormes cantidades de contaminación y pérdidas económicas. Además, el hecho de que las baterías de iones de litio sean poco duraderas supone un enorme obstáculo para el mercado de los vehículos eléctricos y la captación de energías renovables. Teniendo en cuenta la gravedad de estos problemas, no es de extrañar que los investigadores busquen activamente formas de mejorar los diseños más avanzados de las baterías de iones de litio.

Una de las principales causas del descenso de la capacidad de las baterías de iones de litio con el paso del tiempo es la degradación de los ánodos de grafito, los terminales negativos de las baterías. El ánodo, junto con el cátodo (o el terminal positivo) y el electrolito (o el medio que transporta la carga entre dos terminales), proporcionan un entorno en el que pueden tener lugar las reacciones electroquímicas para la carga y descarga de la batería. Sin embargo, el grafito necesita un aglutinante para evitar que se deshaga con el uso. El aglutinante más extendido en la actualidad, el poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), presenta una serie de inconvenientes que lo alejan del material ideal.

Para solucionar estos problemas, un equipo de investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) está investigando un nuevo tipo de aglutinante fabricado con un copolímero de bis-imino-naftenoquinona-parafenileno (BP). Su último estudio, publicado en ACS Applied Energy Materials, ha sido dirigido por el profesor Noriyoshi Matsumi y en él han participado también el profesor Tatsuo Kaneko, el profesor titular Rajashekar Badam, el estudiante de doctorado Agman Gupta y el antiguo becario postdoctoral Aniruddha Nag.

Entonces, ¿en qué aspectos supera el copolímero BP al aglutinante PVDF convencional para los ánodos de grafito? En primer lugar, el aglutinante BP ofrece una estabilidad mecánica y una adherencia al ánodo considerablemente mejores. Esto se debe en parte a las denominadas interacciones π-π entre los grupos de bis-imino-acefenoquinona y el grafito, y también a la buena adherencia de los ligandos del copolímero al colector de corriente de cobre de la batería. En segundo lugar, el copolímero BP no sólo es mucho más conductor que el PVDF, sino que también forma una interfaz de electrolito sólido conductor más fina y con menos resistencia. En tercer lugar, el copolímero BP no reacciona fácilmente con el electrolito, lo que también evita en gran medida su degradación.

Todas estas ventajas combinadas dieron lugar a importantes mejoras de rendimiento, como demostraron los investigadores mediante mediciones experimentales. "Mientras que una semicelda que utilizaba PVDF como aglutinante mostraba sólo el 65% de su capacidad original después de unos 500 ciclos de carga y descarga, la semicelda que utilizaba el copolímero BP como aglutinante mostraba una retención de la capacidad del 95% después de más de 1700 ciclos de este tipo", destaca el profesor Matsumi. Las semiceldas basadas en el copolímero BP también mostraron una eficiencia coulómbica muy alta y estable, una medida que compara la cantidad de carga que entra y sale de la celda en un ciclo determinado; esto también es indicativo de la durabilidad a largo plazo de la batería. Las imágenes de los aglutinantes tomadas con un microscopio electrónico de barrido antes y después de los ciclos revelaron que sólo se formaron pequeñas grietas en el copolímero BP, mientras que en el PVDF ya se habían formado grandes grietas en menos de un tercio del número total de ciclos.

Los resultados teóricos y experimentales de este estudio allanarán el camino para desarrollar baterías de iones de litio de larga duración. A su vez, esto podría tener consecuencias económicas y medioambientales de gran alcance, como explica el profesor Matsumi: "La realización de baterías duraderas ayudará al desarrollo de productos más fiables para su uso a largo plazo. Esto animará a los consumidores a comprar bienes más caros basados en baterías, como los vehículos eléctricos, que se utilizarán durante muchos años". También señala que las baterías duraderas serían una buena noticia para quienes dependen de órganos artificiales, como los pacientes con ciertas enfermedades cardíacas. Por supuesto, la población en general también se beneficiaría, teniendo en cuenta lo mucho que se usan y recargan a diario los teléfonos inteligentes, las tabletas y los ordenadores portátiles.

Es de esperar que los nuevos avances en los aglutinantes de electrodos nos acerquen a productos basados en baterías más duraderas y a un futuro más ecológico.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Recommiende artículo PDF / Imprimir artículo

Compartir

Hechos, antecedentes, expedientes
  • baterías
  • ánodos
  • aglutinantes
Más sobre Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)