Una nueva regla cuantitativa para diseñar mejores baterías
El descubrimiento de un factor clave permite el diseño numérico de electrolitos para mejorar el rendimiento y la seguridad de las baterías
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Un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Osaka y Daikin Industries, Ltd. ha identificado un nuevo indicador crucial para diseñar las baterías avanzadas de iones de litio. Han descubierto que el "potencial químico de ion-litio del electrolito" -una medida de lo "incómodo" que se encuentra un ion-litio dentro del electrolito de una batería- determina cuantitativamente si una batería puede cargarse y descargarse de forma reversible. Este hallazgo allana el camino para pasar del desarrollo por ensayo y error a un proceso de diseño racional, basado en datos, de baterías más seguras y de mayor rendimiento.
Esquema de las reacciones del electrodo negativo de grafito en varios electrolitos en función del potencial químico del electrolito Li+.
2025, Yasuyuki Kondo et al., Electrolyte Li+ Chemical Potential Correlates with Graphite Negative Electrode Reactions in Lithium-Ion Batteries, Advanced Materials
Las baterías de iones de litio son esenciales para la sociedad moderna, ya que alimentan desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. Para mejorar su rendimiento, los investigadores han estado buscando nuevos electrolitos (el medio líquido que transporta los iones). Sin embargo, uno de los principales retos ha sido la falta de una pauta clara para predecir si un nuevo electrolito funcionará bien con los electrodos negativos de grafito que se utilizan habitualmente en estas baterías. Esto ha convertido el desarrollo de electrolitos en un proceso difícil y empírico.
El equipo de investigación reveló que la clave está en el potencial químico del ion-litio en un electrolito. Para que una batería se cargue correctamente, los iones de litio deben pasar del electrolito al electrodo de grafito. El equipo aclaró que este proceso sólo se produce con éxito cuando los iones de litio son suficientemente "inestables" en el electrolito, es decir, cuando su potencial químico es alto. Esta nueva métrica proporciona una norma numérica clara para determinar la idoneidad de un electrolito, poniendo fin a las conjeturas. También demostraron que un disolvente de éter fluorado de nuevo desarrollo, diseñado a partir de este concepto, permite un excelente rendimiento de las baterías.
Este descubrimiento permite un diseño racional y muy eficiente de nuevos electrolitos. Al integrar el potencial químico del ión-litio en la informática de materiales, los investigadores pueden predecir el rendimiento de los nuevos materiales, lo que acelera drásticamente el proceso de desarrollo. Esto acelerará la mejora del rendimiento, la vida útil y la seguridad de las baterías utilizadas en infraestructuras sociales críticas, como vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energías renovables y sistemas de alimentación ininterrumpida para centros de datos.
"En este estudio hemos hecho algo más que descubrir un nuevo material", afirma el Dr. Yasuyuki Kondo, autor principal del estudio. "Hemos identificado el factor que realmente rige las reacciones de carga y descarga en las baterías de iones de litio. Esperamos que nuestros hallazgos aceleren la investigación y el desarrollo futuros de baterías y contribuyan a resolver los retos energéticos y económicos del mundo."
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