Las baterías de litio-metal se encuentran entre los candidatos más prometedores de la próxima generación de baterías de alta energía. Pueden almacenar al menos el doble de energía por unidad de volumen que las baterías de iones de litio que se utilizan ampliamente en la actualidad. Esto significará, por ejemplo, que un coche eléctrico puede viajar el doble de distancia con una sola carga, o que un teléfono inteligente no tendrá que recargarse tan a menudo.
Las baterías de litio-metal presentan un inconveniente importante: el electrolito líquido requiere la adición de cantidades significativas de disolventes fluorados y sales fluoradas, lo que aumenta su impacto medioambiental. Sin embargo, sin la adición de flúor, las baterías de litio-metal serían inestables, dejarían de funcionar después de muy pocos ciclos de carga y serían propensas a cortocircuitos, sobrecalentamiento e ignición. Un grupo de investigación dirigido por Maria Lukatskaya, catedrática de Sistemas de Energía Electroquímica en la ETH de Zúrich, ha desarrollado un nuevo método que reduce drásticamente la cantidad de flúor necesaria en las baterías de litio-metal, lo que las hace más respetuosas con el medio ambiente, más estables y rentables.
Una capa protectora estable aumenta la seguridad y la eficiencia de la batería.
Los compuestos fluorados del electrolito ayudan a la formación de una capa protectora alrededor del litio metálico en el electrodo negativo de la batería. «Esta capa protectora se puede comparar con el esmalte de un diente», explica Lukatskaya. «Protege al litio metálico de la reacción continua con los componentes del electrolito». Sin ella, el electrolito se agotaría rápidamente durante el ciclo, la celda fallaría y la falta de una capa estable daría lugar a la formación de filamentos de metal de litio (‘dendritas’) durante el proceso de recarga en lugar de una capa plana conforme.
Si estas dendritas tocan el electrodo positivo, se produciría un cortocircuito con el riesgo de que la batería se calentara tanto que se incendiara. Por lo tanto, la capacidad de controlar las propiedades de esta capa protectora es crucial para el rendimiento de la batería. Una capa protectora estable aumenta la eficiencia, la seguridad y la vida útil de la batería.
Minimizar el contenido de flúor
«La cuestión era cómo reducir la cantidad de flúor añadido sin comprometer la estabilidad de la capa protectora», explica el estudiante de doctorado Nathan Hong. El nuevo método del grupo utiliza la atracción electrostática para lograr la reacción deseada. En este caso, las moléculas fluoradas cargadas eléctricamente sirven como vehículo para transportar el flúor a la capa protectora. Esto significa que solo se requiere un 0,1 por ciento en peso de flúor en el electrolito líquido, lo que es al menos 20 veces menor que en estudios anteriores.
Un método optimizado hace que las baterías sean más ecológicas
El grupo de investigación de la ETH de Zúrich describe el nuevo método y sus principios subyacentes en un artículo publicado recientemente en la revista Ciencia energética y medioambientalSe ha presentado una solicitud de patente.
Uno de los mayores retos fue encontrar la molécula adecuada a la que se pudiera unir el flúor y que, además, se descompusiera de nuevo en las condiciones adecuadas una vez que hubiera alcanzado el metal de litio. Como explica el grupo, una ventaja clave de este método es que se puede integrar sin problemas en el proceso de producción de baterías existente sin generar costos adicionales por cambiar la configuración de producción. Las baterías utilizadas en el laboratorio tenían el tamaño de una moneda. En un próximo paso, los investigadores planean probar la escalabilidad del método y aplicarlo a las células tipo bolsa que se usan en los teléfonos inteligentes.