Una batería sin ánodos duplica la autonomía de los vehículos eléctricos
"Este trabajo representa un avance significativo al abordar simultáneamente los problemas de eficiencia y vida útil en las baterías de litio metal sin ánodo"
¿Podría un vehículo eléctrico ir y volver de Seúl a Busan con una sola carga? ¿Podrían los conductores dejar de preocuparse por el rendimiento de la batería incluso en invierno? Un equipo de investigación coreano ha dado un gran paso para responder a estas preguntas desarrollando una batería de litio metálico sin ánodo que puede proporcionar casi el doble de autonomía con el mismo volumen de batería.
Un equipo de investigación conjunto dirigido por el profesor Soojin Park y el doctor Dong-Yeob Han, del Departamento de Química de POSTECH, junto con el profesor Nam-Soon Choi y el doctor Saehun Kim, del KAIST, y el profesor Tae Kyung Lee y el investigador Junsu Son, de la Universidad Nacional de Gyeongsang, ha logrado una densidad energética volumétrica de 1.270 Wh/L en una batería de litio metálico sin ánodo. Este valor es casi el doble que el de las actuales baterías de iones de litio utilizadas en vehículos eléctricos, que suelen proporcionar unos 650 Wh/L. El logro se publicó como artículo de portada en Advanced Materials.
Una batería de litio-metal sin ánodo elimina por completo el ánodo convencional. En su lugar, los iones de litio almacenados en el cátodo se desplazan durante la carga y se depositan directamente sobre un colector de corriente de cobre. Al eliminar componentes innecesarios, se puede dedicar más espacio interno al almacenamiento de energía, algo así como meter más combustible en un depósito del mismo tamaño. Sin embargo, este diseño plantea serios problemas. Si el litio se deposita de forma irregular, pueden formarse estructuras afiladas en forma de aguja conocidas como dendritas, lo que aumenta el riesgo de cortocircuitos y los peligros potenciales para la seguridad. La carga y descarga repetidas también pueden dañar la superficie del litio y acortar rápidamente la vida útil de la batería.
Para resolver estos problemas, el equipo de investigación adoptó una estrategia dual que combina un anfitrión reversible (RH) y un electrolito diseñado (DEL). El anfitrión reversible consiste en una estructura polimérica incrustada con nanopartículas de plata (Ag) distribuidas uniformemente, lo que hace que el litio se deposite en lugares designados en vez de aleatoriamente. En pocas palabras, actúa como un aparcamiento exclusivo para el litio, garantizando una deposición ordenada y uniforme.
El electrolito diseñado mejora aún más la estabilidad al formar una fina pero robusta capa protectora compuesta de Li₂O y Li₃N sobre la superficie del litio. Esta capa funciona como un vendaje sobre la piel, impidiendo el crecimiento dañino de dendritas y manteniendo al mismo tiempo vías abiertas para el transporte de iones de litio.
Combinado, el sistema RH-DEL ofreció un rendimiento extraordinario. Con una capacidad areal elevada (4,6 mAh cm-²) y una densidad de corriente (2,3 mA cm-²), la batería conservó el 81,9% de su capacidad inicial tras 100 ciclos y alcanzó una eficiencia coulómbica media del 99,6%. Estos resultados permitieron al equipo alcanzar el récord de densidad energética volumétrica de 1.270 Wh/L en baterías de litio-metal sin ánodo.
Y lo que es más importante, este rendimiento se validó no sólo en pequeñas celdas de laboratorio, sino también en baterías de tipo bolsa, más próximas a las aplicaciones reales de los vehículos eléctricos. Incluso con una cantidad mínima de electrolito (E/C = 2,5 g Ah-¹) y a baja presión de apilamiento (20 kPa), las baterías funcionaron de forma estable. Esto demuestra un gran potencial para reducir el peso y el volumen de las baterías al tiempo que se reducen las cargas de fabricación, lo que mejora notablemente su viabilidad comercial.
El profesor Soojin Park comentó: "Este trabajo representa un avance significativo al abordar simultáneamente los problemas de eficiencia y vida útil de las baterías de litio metal sin ánodo". El profesor Tae Kyung Lee añadió: "Nuestro estudio demuestra que el diseño de electrolitos basado en disolventes disponibles en el mercado puede conseguir tanto una elevada movilidad de los iones de litio como estabilidad interfacial."
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