Un electrolito flexible para pilas sólidas

Esto es una batería: dos electrodos con polaridades diferentes y, entre ellos, un electrolito, que permite la transferencia de iones (y desactiva la conductividad electrónica) entre los electrodos y, por tanto, la carga y descarga de la batería. En la mayoría de las baterías, el electrolito es un líquido inflamable. En cambio, las llamadas baterías de estado sólido utilizan una sustancia sólida como electrolito. Esto no sólo las hace más seguras, sino que el electrolito sólido también permite el uso de materiales alternativos para los electrodos, como el metal de litio puro para el ánodo. Como resultado, las baterías de estado sólido pueden alcanzar densidades de energía mucho mayores, es decir, almacenar más electricidad por volumen, una ventaja para una amplia gama de aplicaciones, desde los coches eléctricos a la electrónica portátil.

Sin embargo, como suele ocurrir, esta prometedora tecnología aún tiene algunos "problemas iniciales" que plantean retos para la investigación y la industria. Los investigadores del Laboratorio de Polímeros Funcionales del Empa están trabajando en un nuevo electrolito que podría resolver varios problemas a la vez. A diferencia de la mayoría de los electrolitos para baterías de estado sólido, que están hechos de materiales rígidos, su electrolito sólido es blando y estirable.

Conductor iónico a base de silicona

Esta innovación es el resultado de una química inteligente. El polímero de partida del electrolito es un polisiloxano, más conocido como silicona. Este compuesto elástico tiene una gran desventaja para la investigación de baterías: Es apolar y, por tanto, incapaz de disolver las partículas cargadas, los iones. Los investigadores dirigidos por Dorina Opris han conseguido añadir grupos funcionales a la "columna vertebral" del polímero, convirtiéndolo en un buen conductor de iones y conservando al mismo tiempo sus ventajosas propiedades elásticas.

La elasticidad es un punto fuerte clave del electrolito polimérico. Las baterías de iones de litio actuales utilizan un ánodo basado en sales de litio. El uso de litio metálico puro como material anódico podría aumentar la densidad energética. Cuando la batería se descarga, los iones de litio "migran" fuera del ánodo metálico; cuando se carga, vuelven. Sin embargo, no se depositan en una capa uniforme sobre la superficie del ánodo, sino que forman las llamadas dendritas: estructuras de litio en forma de árbol que pueden "crecer" hasta el cátodo en pocos ciclos de carga y provocar un cortocircuito.

El uso de un electrolito sólido dificulta el crecimiento de dendritas. Sin embargo, cuando los iones se alejan del ánodo, dejan espacios vacíos, que pueden hacer que el ánodo pierda contacto con el electrolito y reducir la capacidad de la batería. Aquí es donde el electrolito elástico desarrollado por los investigadores del Empa mata dos pájaros de un tiro: Es lo bastante sólido para evitar las dendritas, pero lo bastante elástico para rellenar los huecos y compensar los cambios de volumen del ánodo durante la carga y la descarga.

Hacia baterías flexibles

Con los materiales de electrodo adecuados, el electrolito también podría utilizarse para fabricar baterías flexibles. "Las baterías actuales para implantes médicos, como los marcapasos, suelen ser duras e incómodas para los pacientes", explica Dorina Opris. "Nuestro polímero puede servir no sólo como electrolito, sino también como material aglutinante para el cátodo". Can Zimmerli, investigador de Empa, añade: "El polímero flexible puede combinarse con distintos materiales activos catódicos, lo que permite baterías para diversas aplicaciones".

La flexibilidad y la seguridad no son las únicas ventajas del innovador electrolito. "El material puede procesarse en películas finas de unos pocos micrómetros de grosor, y es escalable", afirma Opris. "Si se produce a escala industrial, también es más barato que los electrolitos poliméricos sólidos convencionales". Los investigadores trabajan ahora en mejorar aún más la conductividad iónica del electrolito de silicona y, al mismo tiempo, buscan un socio industrial adecuado para empezar a comercializar la tecnología.