09.06.2021 - University of California, San Diego

Estabilizar los electrolitos gaseosos podría hacer más seguras las baterías de ultra baja temperatura

Un nuevo separador mejora la seguridad de la batería y su rendimiento en el frío extremo

Una nueva tecnología podría mejorar notablemente la seguridad de las baterías de iones de litio que funcionan con electrolitos gaseosos a temperaturas ultrabajas. Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un separador -la parte de la batería que sirve de barrera entre el ánodo y el cátodo- que impide que los electrolitos gaseosos de estas baterías se vaporicen. Este nuevo separador podría, a su vez, ayudar a evitar la acumulación de presión en el interior de la batería que provoca hinchazones y explosiones.

"Al atrapar las moléculas de gas, este separador puede funcionar como estabilizador de los electrolitos volátiles", explica Zheng Chen, profesor de nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UC San Diego que dirigió el estudio.

El nuevo separador también aumentó el rendimiento de las baterías a temperaturas ultrabajas. Las celdas de la batería construidas con el nuevo separador funcionaban con una alta capacidad de 500 miliamperios-hora por gramo a -40 C, mientras que las construidas con un separador comercial apenas mostraban capacidad. Las pilas seguían mostrando una alta capacidad incluso después de estar sin usar durante dos meses, un signo prometedor de que el nuevo separador también podría prolongar la vida útil, dijeron los investigadores.

Este avance acerca a los investigadores a la construcción de baterías de iones de litio que puedan alimentar vehículos en condiciones de frío extremo, como naves espaciales, satélites y barcos de alta mar.

Este trabajo se basa en un estudio anterior publicado en Science por el laboratorio de la profesora de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego, Ying Shirley Meng, que fue el primero en informar sobre el desarrollo de baterías de iones de litio que funcionan bien a temperaturas tan bajas como -60 C. Lo que hace que estas baterías sean especialmente resistentes al frío es que utilizan un tipo especial de electrolito llamado electrolito de gas licuado, que es un gas que se licúa aplicando presión. Es mucho más resistente a la congelación que un electrolito líquido convencional.

Pero hay un inconveniente. Los electrolitos de gas licuado tienen una gran tendencia a pasar de líquido a gas. "Este es el mayor problema de seguridad de estos electrolitos", afirma Chen. Para utilizarlos, hay que aplicar mucha presión para condensar las moléculas de gas y mantener el electrolito en forma líquida.

Para combatir este problema, el laboratorio de Chen se asoció con Meng y el profesor de nanoingeniería de la UC San Diego Tod Pascal para desarrollar una forma de licuar estos electrolitos gaseosos fácilmente sin tener que aplicar tanta presión. El avance fue posible gracias a la combinación de la experiencia de expertos en computación como Pascal con la de experimentadores como Chen y Meng, que forman parte del Centro de Investigación de Materiales e Ingeniería (MRSEC) de la UC San Diego.

Su método aprovecha un fenómeno físico en el que las moléculas de gas se condensan espontáneamente cuando quedan atrapadas en espacios diminutos de tamaño nanométrico. Este fenómeno, conocido como condensación capilar, permite que un gas se convierta en líquido a una presión mucho menor.

El equipo aprovechó este fenómeno para construir un separador de batería que estabilizara el electrolito de su batería de temperatura ultrabaja: un electrolito de gas licuado hecho de gas fluorometano. Los investigadores construyeron el separador con un material poroso y cristalino llamado marco metal-orgánico (MOF). Lo especial del MOF es que está lleno de poros diminutos capaces de atrapar las moléculas de gas fluorometano y condensarlas a presiones relativamente bajas. Por ejemplo, el fluorometano suele condensarse a una presión de 118 psi a -30 C; pero con el MOF, se condensa a sólo 11 psi a la misma temperatura.

"Este MOF reduce significativamente la presión necesaria para que el electrolito funcione", dijo Chen. "Como resultado, nuestras celdas de batería ofrecen una cantidad significativa de capacidad a baja temperatura y no muestran degradación".

Los investigadores probaron el separador basado en MOF en celdas de baterías de iones de litio -construidas con un cátodo de fluoruro de carbono y un ánodo de metal de litio- llenas de electrolito gaseoso de fluorometano bajo una presión interna de 70 psi, que es muy inferior a la necesaria para licuar el fluorometano. Las celdas conservaron el 57% de su capacidad a temperatura ambiente a -40 C. En cambio, las celdas con un separador comercial no mostraron casi ninguna capacidad con el electrolito gaseoso de fluorometano a la misma temperatura y presión.

Los diminutos poros del separador basado en MOF son clave porque mantienen un mayor flujo de electrolito en la batería, incluso a presión reducida. El separador comercial, en cambio, tiene poros grandes y no puede retener las moléculas del electrolito gaseoso bajo presión reducida.

Pero los poros diminutos no son la única razón por la que el separador funciona tan bien en estas condiciones. Los investigadores diseñaron el separador de forma que los poros formaran caminos continuos de un extremo a otro. Esto garantiza que los iones de litio puedan seguir fluyendo libremente a través del separador. En las pruebas, las celdas de la batería con el nuevo separador tenían una conductividad iónica 10 veces mayor a -40 C que las celdas con el separador comercial.

El equipo de Chen está probando ahora el separador basado en MOF en otros electrolitos. "Estamos viendo efectos similares. Podemos utilizar este MOF como estabilizador para adsorber varios tipos de moléculas de electrolitos y mejorar la seguridad incluso en las baterías de litio tradicionales, que también tienen electrolitos volátiles."

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.

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