Muchos propietarios de vehículos eléctricos se preocupan por la eficacia de su batería en climas muy fríos. Ahora, una nueva química de batería puede haber resuelto ese problema.
En las baterías de iones de litio actuales, el principal problema radica en el electrolito líquido. Este componente clave de la batería transfiere partículas portadoras de carga llamadas iones entre los dos electrodos de la batería, lo que hace que la batería se cargue y descargue. Pero el líquido comienza a congelarse a temperaturas bajo cero. Esta condición limita severamente la efectividad de cargar vehículos eléctricos en regiones y estaciones frías.
Para abordar ese problema, un equipo de científicos de los laboratorios nacionales Argonne y Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) desarrolló un electrolito que contiene flúor que funciona bien incluso en temperaturas bajo cero.
«Nuestro equipo no solo encontró un electrolito anticongelante cuyo rendimiento de carga no disminuye a menos 4 grados Fahrenheit, sino que también descubrimos, a nivel atómico, qué lo hace tan efectivo», dijo Zhengcheng «John» Zhang, químico senior y miembro del grupo líder en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne.
Este electrolito de baja temperatura promete funcionar para baterías en vehículos eléctricos, así como en el almacenamiento de energía para redes eléctricas y productos electrónicos de consumo como computadoras y teléfonos.
En las baterías de iones de litio actuales, el electrolito es una mezcla de una sal ampliamente disponible (hexafluorofosfato de litio) y solventes de carbonato como el carbonato de etileno. Los solventes disuelven la sal para formar un líquido.
Cuando se carga una batería, el electrolito líquido transporta iones de litio desde el cátodo (un óxido que contiene litio) al ánodo (grafito). Estos iones migran fuera del cátodo, luego pasan a través del electrolito de camino al ánodo. Mientras se transportan a través del electrolito, se asientan en el centro de grupos de cuatro o cinco moléculas de solvente.
Durante las pocas cargas iniciales, estos grupos golpean la superficie del ánodo y forman una capa protectora llamada interfase de electrolito sólido. Una vez formada, esta capa actúa como un filtro. Permite que solo los iones de litio pasen a través de la capa mientras bloquea las moléculas de solvente. De esta forma, el ánodo es capaz de almacenar átomos de litio en la estructura del grafito en carga. Tras la descarga, las reacciones electroquímicas liberan electrones del litio que generan electricidad que puede impulsar vehículos.
El problema es que en temperaturas frías, el electrolito con solventes de carbonato comienza a congelarse. Como resultado, pierde la capacidad de transportar iones de litio al ánodo durante la carga. Esto se debe a que los iones de litio están muy unidos dentro de los grupos de solventes. Por lo tanto, estos iones requieren mucha más energía para evacuar sus grupos y penetrar la capa de interfaz que a temperatura ambiente. Por esa razón, los científicos han estado buscando un mejor solvente.
El equipo investigó varios disolventes que contenían flúor. Pudieron identificar la composición que tenía la barrera de energía más baja para liberar iones de litio de los grupos a temperatura bajo cero. También determinaron a escala atómica por qué esa composición particular funcionó tan bien. Dependía de la posición de los átomos de flúor dentro de cada molécula de solvente y su número.
En las pruebas con celdas de laboratorio, el electrolito fluorado del equipo mantuvo una capacidad de almacenamiento de energía estable durante 400 ciclos de carga y descarga a menos 4 F. Incluso a esa temperatura bajo cero, la capacidad era equivalente a la de una celda con un electrolito convencional a base de carbonato. a temperatura ambiente.
«Nuestra investigación demostró cómo adaptar la estructura atómica de los solventes de electrolitos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero», dijo Zhang.
El electrolito anticongelante tiene una propiedad adicional. Es mucho más seguro que los electrolitos a base de carbonato que se utilizan actualmente, ya que no se incendiará.
«Estamos patentando nuestro electrolito más seguro y de baja temperatura y ahora estamos buscando un socio industrial para adaptarlo a uno de sus diseños para baterías de iones de litio», dijo Zhang.
Esta investigación aparece en Materiales energéticos avanzados. Además de John Zhang, los autores de Argonne son Dong-Joo Yoo, Qian Liu y Minkyu Kim. Los autores de Berkeley Lab son Orion Cohen y Kristin Persson.
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, Oficina de Tecnologías de Vehículos.