Un equipo de investigación del MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha creado un nuevo electrolito líquido para las baterías de metal de litio que evita que los electrodos se degraden a medida que se carga y descarga la batería. Su aplicación práctica en las baterías de los vehículos eléctricos o en las de la electrónica de consumo daría como resultado el incremento de la capacidad energética en relación con las baterías de litio convencionales, sin elevar el peso total del conjunto. Una tecnología que podría competir con las eficientes y capaces baterías basadas en electrolitos sólidos, que son consideradas por la industria como la panacea en sistemas de almacenamiento energético para el transporte eléctrico.

Una de las arquitecturas de baterías más prometedoras y que más está siendo objeto de estudio por parte de los investigadores es la que utiliza metal de litio puro en el ánodo en lugar de la mezcla de grafito y cobre que se usa en la actualidad en las baterías de litio. Esta tecnología permite duplicar la capacidad de las baterías de los vehículos eléctricos, y por lo tanto doblar su autonomía, aumentando la seguridad y reduciendo sensiblemente el precio de compra.

La investigación publicada en la revista Nature Energy por un equipo de investigadores del MIT explica el desarrollo de un nuevo electrolito líquido que puede adaptarse a la química de las baterías de metal de litio resolviendo uno de los problemas clave que frenan esta tecnología. El electrolito es la solución que transporta los iones de litio de un electrodo a otro en el proceso de carga y descarga de una batería. Los átomos de las aleaciones metálicas que forman los electrodos son propensos a disolverse en él debido a las reacciones químicas que tienen lugar, lo que hace que pierdan masa a medida que la batería se carga y descarga, de manera que empiezan a agrietarse y degradarse.

El equipo del MIT basó su trabajo en los resultados de una investigación de hace varios años relacionada con las baterías de litio-aire para la que se había desarrollado un nuevo electrolito basado en moléculas orgánicas. En base a él, y con el objetivo de explorar su potencial, se combinó con los cátodos estándar utilizados en las baterías de litio actuales, formados por óxidos metálicos fabricados a base de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC), y con un ánodo de litio-metal. En las primeras pruebas, el nuevo electrolito demostró ser muy resistente a la disolución de los átomos de metal, lo que evitó la pérdida de masa y el agrietamiento que suele darse en durante el proceso de carga y descarga.

Los sucesivos experimentos también demostraron la reducción (a más de la décima parte) de la acumulación de compuestos no deseados en la superficie del electrodo, facilitando el desplazamiento de los iones de litio necesarios para cargar la batería. Si bien el electrolito demostró ser muy capaz cuando se combinó con el cátodo de litio-níquel-manganeso-cobalto, la forma en que interactuó con el ánodo de metal de litio en es lo que realmente podría abrir nuevas aplicaciones prácticas muy interesantes.

Imágenes de la tomografía de rayos X de un electrodo de batería convencional (a la izquierda) y un nuevo electrodo de una celda fabricada con el nuevo electrolito líquido (a la derecha) en la que se observa que se evita el agrietamiento. Imagen: MIT.

Según explica Yang Shao-Horn, investigador del MIT, “el electrolito es químicamente resistente contra la oxidación de materiales ricos en níquel de alta energía, lo que evita la fractura de partículas y estabiliza el electrodo positivo durante el ciclo”. Además, este descubrimiento supone un paso importante para la consecución de las baterías de metal de litio que dupliquen la capacidad energética de las baterías actuales y su aplicación real en la industria, ya que el electrolito también permite el decapado y el enchapado estable y reversible del metal de litio.

El nuevo electrolito podría llevar a las baterías de metal de litio a ofrecer densidades energéticas de aproximadamente 420 Wh/kg, prácticamente el doble de los 260 Wh/kg que ofrece la tecnología actual. En términos reales, su implementación en vehículos eléctricos supondría un cambio radical en la concepción actual del transporte, puesto que se podría duplicar la autonomía sin que ello implique un incremento de peso. Además, esta arquitectura no implica cambios importantes en el diseño de la arquitectura de las baterías, de manera que tal y como describe el equipo, el reemplazo del electrolito líquido actual por el nuevo sería prácticamente directo.

Este hallazgo supone un impulso para la búsqueda y el diseño de nuevos electrolitos líquidos compatibles con las baterías de metal de litio que competirán directamente con los electrolitos de estado sólido, otra de las tecnologías prometedoras para las baterías de los vehículos eléctricos de la próxima generación.

El siguiente objetivo de la investigación es escalar la producción para que la tecnología sea asequible técnica y económicamente. Si bien el electrolito es simple de producir, involucra unas moléculas orgánicas precursoras que rara vez se usan y, por lo tanto, implican un coste elevado para su obtención. Una circunstancia que podría cambiar a medida que la producción aumenta. Para Jeremiah Johnson, director del proyecto, “si podemos mostrarle al mundo que este es un gran electrolito para electrónica de consumo, aumentará su producción, lo que ayudará a reducir el precio”.

Escrito por  Diego Gutiérrez