18.02.2022 - Argonne National Laboratory

Nuevo electrolito para baterías de iones de litio en estado sólido

Un nuevo material para baterías es prometedor para el desarrollo de baterías totalmente sólidas

En la búsqueda de la batería perfecta, los científicos tienen dos objetivos principales: crear un dispositivo que pueda almacenar una gran cantidad de energía y hacerlo de forma segura. Muchas baterías contienen electrolitos líquidos, que son potencialmente inflamables.

Por eso, las baterías de iones de litio de estado sólido, que constan de componentes totalmente sólidos, son cada vez más atractivas para los científicos, ya que ofrecen una atractiva combinación de mayor seguridad y mayor densidad energética, es decir, la cantidad de energía que la batería puede almacenar para un determinado volumen.

Investigadores de la Universidad de Waterloo (Canadá), miembros del Centro Conjunto de Investigación sobre Almacenamiento de Energía (JCESR), con sede en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), han descubierto un nuevo electrolito sólido que ofrece varias ventajas importantes.

Este electrolito, compuesto de litio, escandio, indio y cloro, conduce bien los iones de litio pero mal los electrones. Esta combinación es esencial para crear una batería de estado sólido que funciona sin perder capacidad de forma significativa durante más de cien ciclos a alta tensión (por encima de 4 voltios) y miles de ciclos a tensión intermedia. La naturaleza clorada del electrolito es la clave de su estabilidad en condiciones de funcionamiento por encima de los 4 voltios, lo que significa que es adecuado para los materiales típicos de los cátodos que forman la base de las pilas de iones de litio actuales.

"El principal atractivo de un electrolito en estado sólido es que no puede incendiarse y permite una colocación eficiente en la celda de la batería; nos complace demostrar un funcionamiento estable a alto voltaje", dijo Linda Nazar, profesora distinguida de investigación en química de la UWaterloo y miembro de larga data del JCESR.

Las iteraciones actuales de electrolitos en estado sólido se centran en gran medida en los sulfuros, que se oxidan y degradan por encima de los 2,5 voltios. Por tanto, requieren la incorporación de un revestimiento aislante alrededor del material del cátodo que funciona por encima de los 4 voltios, lo que perjudica la capacidad de los electrones y los iones de litio para pasar del electrolito al cátodo.

"En el caso de los electrolitos de sulfuro, nos encontramos con una especie de enigma: queremos aislar electrónicamente el electrolito del cátodo para que no se oxide, pero seguimos necesitando conductividad electrónica en el material del cátodo", explica Nazar.

Aunque el grupo de Nazar no fue el primero en idear un electrolito de cloruro, la decisión de cambiar la mitad del indio por escandio, basada en su trabajo anterior, resultó ser la mejor en términos de menor conductividad electrónica y mayor conductividad iónica. "Los electrolitos de cloruro son cada vez más atractivos porque sólo se oxidan a altos voltajes y algunos son químicamente compatibles con los mejores cátodos que tenemos", afirma Nazar. "Recientemente se ha informado de algunos de ellos, pero nosotros hemos diseñado uno con claras ventajas".

Una de las claves químicas de la conductividad iónica reside en la estructura tridimensional entrecruzada del material, denominada espinela. Los investigadores tuvieron que equilibrar dos deseos contrapuestos: cargar la espinela con tantos iones portadores de carga como fuera posible, pero también dejar sitios abiertos para que los iones se movieran. Es como organizar un baile: quieres que la gente venga, pero no quieres que haya demasiada gente", explica Nazar.

Según Nazar, lo ideal sería que la mitad de los sitios de la estructura de la espinela estuvieran ocupados por el litio y la otra mitad permaneciera abierta, pero explicó que crear esa situación es difícil de diseñar.

Además de la buena conductividad iónica del litio, Nazar y sus colegas tenían que asegurarse de que los electrones no pudieran moverse fácilmente por el electrolito para provocar su descomposición a alto voltaje. "Imagina un juego de rayuela", dijo. "Aunque sólo se trate de saltar de la primera casilla a la segunda, si se puede crear un muro que dificulte el salto de los electrones, en nuestro caso, esa es otra ventaja de este electrolito sólido".

Nazar dijo que aún no está claro por qué la conductividad electrónica es menor que la de muchos electrolitos de cloruro descritos anteriormente, pero ayuda a establecer una interfaz limpia entre el material del cátodo y el electrolito sólido, hecho que es en gran parte responsable del rendimiento estable incluso con altas cantidades de material activo en el cátodo.

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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