Una batería de vehículo eléctrico para todas las estaciones

Muchos propietarios de vehículos eléctricos se preocupan por la eficacia de sus baterías cuando hace mucho frío. Ahora, una nueva química de baterías puede haber resuelto ese problema.

En las actuales baterías de iones de litio, el principal problema reside en el electrolito líquido. Este componente clave de la batería transfiere partículas portadoras de carga llamadas iones entre los dos electrodos de la batería, haciendo que ésta se cargue y descargue. Pero el líquido empieza a congelarse a temperaturas bajo cero. Esta condición limita gravemente la eficacia de la carga de vehículos eléctricos en regiones y estaciones frías.

Para resolver este problema, un equipo de científicos de los laboratorios nacionales Argonne y Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) ha desarrollado un electrolito que contiene flúor y funciona bien incluso a temperaturas bajo cero.

"Nuestra investigación demostró así cómo adaptar la estructura atómica de los disolventes electrolíticos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero". - John Zhang, jefe del grupo de Argonne

"Nuestro equipo no sólo encontró un electrolito anticongelante cuyo rendimiento de carga no disminuye a menos 4 grados Fahrenheit, sino que también descubrimos, a nivel atómico, lo que lo hace tan eficaz", dijo Zhengcheng "John" Zhang, químico senior y jefe de grupo en la división de Ciencias Químicas e Ingeniería de Argonne.

Este electrolito de baja temperatura promete funcionar en las baterías de los vehículos eléctricos, así como en el almacenamiento de energía para redes eléctricas y aparatos electrónicos de consumo, como ordenadores y teléfonos".

En las baterías de iones de litio actuales, el electrolito es una mezcla de una sal ampliamente disponible (hexafluorofosfato de litio) y disolventes carbonatados como el carbonato de etileno. Los disolventes disuelven la sal y forman un líquido.

Cuando se carga una batería, el electrolito líquido transporta iones de litio desde el cátodo (un óxido que contiene litio) hasta el ánodo (grafito). Estos iones salen del cátodo y atraviesan el electrolito hasta llegar al ánodo. Mientras son transportados por el electrolito, se sitúan en el centro de grupos de cuatro o cinco moléculas de disolvente.

Durante las primeras cargas, estos grupos golpean la superficie del ánodo y forman una capa protectora denominada interfase sólido-electrolito. Una vez formada, esta capa actúa como un filtro. Sólo permite que los iones de litio atraviesen la capa, mientras que bloquea las moléculas de disolvente. De este modo, el ánodo es capaz de almacenar átomos de litio en la estructura del grafito al cargarse. Al descargarse, las reacciones electroquímicas liberan electrones del litio que generan electricidad capaz de propulsar vehículos.

El problema es que, a bajas temperaturas, el electrolito con disolventes de carbonato empieza a congelarse. Como resultado, pierde la capacidad de transportar iones de litio al ánodo en la carga. Esto se debe a que los iones de litio están muy ligados a los grupos de disolventes. De ahí que estos iones necesiten mucha más energía para evacuar sus cúmulos y penetrar en la capa de interfase que a temperatura ambiente. Por eso, los científicos han estado buscando un disolvente mejor.

El equipo investigó varios disolventes con flúor. Consiguieron identificar la composición que presentaba la barrera energética más baja para liberar los iones de litio de las agrupaciones a temperatura bajo cero. También determinaron a escala atómica por qué esa composición concreta funcionaba tan bien. Dependía de la posición de los átomos de flúor dentro de cada molécula de disolvente y de su número.

En las pruebas realizadas con células de laboratorio, el electrolito fluorado del equipo mantuvo estable su capacidad de almacenamiento de energía durante 400 ciclos de carga y descarga a -4 F. Incluso a esa temperatura bajo cero, la capacidad era equivalente a la de una célula con un electrolito convencional a base de carbonato a temperatura ambiente.

"Nuestra investigación ha demostrado cómo adaptar la estructura atómica de los disolventes electrolíticos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero", afirma Zhang.

El electrolito anticongelante tiene una propiedad adicional. Es mucho más seguro que los electrolitos basados en carbonatos que se utilizan actualmente, ya que no se incendia.

"Estamos patentando nuestro electrolito más seguro y de baja temperatura, y ahora buscamos un socio industrial que lo adapte a uno de sus diseños de baterías de iones de litio", explica Zhang.