04.05.2022 - Argonne National Laboratory

El electrolito húmedo podría ser la clave para un almacenamiento de energía barato

El electrolito de las baterías que contiene agua podría permitir que las baterías sean más baratas y fáciles de producir

Para los científicos que trabajan en la creación de la próxima generación de baterías, el agua suele ser el enemigo. Por ejemplo, las baterías de iones de litio suelen tener que producirse en condiciones extremadamente secas para que puedan mantener grandes cantidades de carga. Pero un nuevo descubrimiento podría demostrar que un tipo específico de batería de iones de litio puede retener literalmente el agua.

En una batería, los iones se mueven entre los dos electrodos para equilibrar la carga eléctrica creada durante la carga y la descarga. Los electrolitos son el componente de la batería que hace que esto ocurra. Basándose en modelos detallados del agua en diferentes entornos de electrolitos creados a través de simulaciones informáticas anteriores, los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) desarrollaron un nuevo electrolito para baterías que puede contener mil veces más agua que los electrolitos convencionales, según el químico principal de baterías de Argonne Zhengcheng "John" Zhang.

"Siempre hemos pensado que el agua iba a causar grandes problemas en una batería de iones de litio. Sin embargo, resulta que nuestra formulación puede contener mucho más de lo que se conocía hasta ahora, lo que podría ayudar a reducir los costes de fabricación de las baterías", dijo Zhang.

Dado que las baterías de iones de litio son baterías de "celdas secas", sólo pueden contener trazas de humedad, lo que exige la necesidad de instalaciones de fabricación especiales. Sin embargo, al utilizar un electrolito compuesto por dos tipos de sales -una sal de litio y un líquido iónico- el equipo pudo crear una situación en la que el electrolito podía absorber de forma estable un número mucho mayor de moléculas de agua.

Para apoyar los resultados del experimento e investigar el mecanismo químico subyacente, el científico computacional de Argonne, Wei Jiang, utilizó el superordenador Theta de la Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para realizar simulaciones del electrolito cerca de la superficie del electrodo para obtener una imagen del comportamiento de las moléculas de agua. El ALCF es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.

"El modelado de este complejo proceso, que implica múltiples escalas de longitud y tiempo, requiere la potencia de un superordenador como Theta", dijo Jiang. "Las simulaciones nos dieron una visión a escala atómica de cómo el agua afecta al rendimiento de las baterías, proporcionando conocimientos que no eran posibles sólo con los experimentos de laboratorio".

Incluso pequeñas cantidades de agua degradan el rendimiento de las baterías. Esto se debe a que las moléculas de agua junto a las moléculas de agua junto a las moléculas de agua - "charcos" a nanoescala- reaccionan con el propio electrolito, generando subproductos corrosivos que corroen la batería.

Sin embargo, las simulaciones del equipo descubrieron que un nuevo electrolito, compuesto por una sal de litio y un líquido iónico, podía separar y aglutinar el agua, secuestrando las moléculas de agua individuales. El trabajo experimental del equipo de Argonne demuestra que este nuevo electrolito puede contener hasta mil veces más agua que los electrolitos utilizados actualmente en las baterías de vehículos eléctricos y de consumo.

Tal y como revelan las simulaciones por ordenador, la clave está en que las moléculas de agua no se agrupen en "charcos" y pierdan así su reactividad.

"Incluso en las superficies de los electrodos, que son susceptibles de agrupación de agua, nuestras simulaciones atomísticas muestran que las moléculas de agua individuales son muy estables", dijo Jiang.

Al analizar la agrupación de moléculas de agua en la matriz del electrolito, las simulaciones informáticas han identificado una relación cuantitativa entre la tolerancia al agua del electrolito y la "salinidad" de sus componentes.

"Hasta cierto punto, tener un electrolito salado permite retener el agua", dijo Zhang. "La molécula de agua queda atrapada por los diferentes iones en un rango específico de relaciones de concentración en el medio salado, y eso la hace menos reactiva".

Según Zhang, este estudio proporciona una vía potencial para que los fabricantes de baterías incorporen el agua en el proceso de fabricación de las mismas, lo que permitiría una fabricación de menor coste y más respetuosa con el medio ambiente.

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