Un ingrediente en muchas pastas de dientes es el fluoruro de sodio, un compuesto de flúor. Se añade para proteger los dientes contra las caries. Pero los compuestos que contienen flúor tienen otros usos prácticos que podrían sorprenderte. Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto un electrolito de fluoruro que podría proteger una batería de próxima generación contra la disminución del rendimiento.
“Una nueva y emocionante generación de tipos de baterías para vehículos eléctricos más allá del ion de litio está en el horizonte”, dijo Zhengcheng (John) Zhang, líder de grupo en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne.
La química de las baterías que no son de iones de litio ofrece el doble o más de energía almacenada en un volumen o peso determinado en comparación con las de iones de litio. Podrían impulsar automóviles para distancias mucho más largas e incluso podrían impulsar camiones y aviones de larga distancia algún día. La expectativa es que el uso generalizado de tales baterías ayude a abordar el problema del cambio climático. El principal problema es que su alta densidad de energía disminuye rápidamente con la carga y descarga repetidas.
Uno de los principales contendientes tiene un ánodo (electrodo negativo) hecho de metal de litio en lugar del grafito que normalmente se usa en las baterías de iones de litio. Por lo tanto, se denomina batería de “metal de litio”. El cátodo (electrodo positivo) es un óxido metálico que contiene níquel, manganeso y cobalto (NMC). Si bien puede entregar más del doble de la densidad de energía posible con una batería de iones de litio, ese rendimiento sobresaliente se desvanece rápidamente en menos de cien ciclos de carga y descarga.
La solución del equipo implicó cambiar el electrolito, un líquido a través del cual los iones de litio se mueven entre el cátodo y el ánodo para implementar la carga y la descarga. En las baterías de metal de litio, el electrolito es un líquido que consiste en una sal que contiene litio disuelta en un solvente. La fuente del problema del ciclo de vida corto es que el electrolito no forma una capa protectora adecuada en la superficie del ánodo durante los primeros ciclos. Esta capa, también llamada interfase de electrolito sólido (SEI), actúa como un guardián, permitiendo que los iones de litio entren y salgan libremente del ánodo para cargar y descargar la batería, respectivamente. Su investigación se publica en la revista Nature Communications.
El equipo descubrió un nuevo solvente de fluoruro que mantiene una capa protectora sólida durante cientos de ciclos. Acopla un componente fluorado que tiene carga positiva (catión) con un componente fluorado diferente que tiene carga negativa (anión). Esta combinación es lo que los científicos llaman líquido iónico, un líquido que consta de iones positivos y negativos.
“La diferencia clave en nuestro nuevo electrolito es la sustitución de átomos de hidrógeno por flúor en la estructura similar a un anillo de la parte catiónica del líquido iónico”, dijo Zhang. “Esto marcó la diferencia a la hora de mantener un alto rendimiento durante cientos de ciclos en una celda de metal de litio de prueba”.
Para comprender mejor el mecanismo detrás de esta diferencia a escala atómica, el equipo se basó en los recursos informáticos de alto rendimiento de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Como explicó Zhang, las simulaciones en la supercomputadora Theta de ALCF revelaron que los cationes de flúor se adhieren y se acumulan en las superficies del ánodo y el cátodo antes de cualquier ciclo de carga y descarga. Luego, durante las primeras etapas del ciclo, se forma una capa SEI resistente que es superior a lo que es posible con los electrolitos anteriores. La microscopía electrónica de alta resolución en Argonne y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico reveló que la capa SEI altamente protectora en el ánodo y el cátodo condujo a un ciclo estable.
El equipo pudo ajustar la proporción de solvente de fluoruro a sal de litio para crear una capa con propiedades óptimas, incluido un espesor SEI que no es ni demasiado grueso ni demasiado delgado. Debido a esta capa, los iones de litio podrían entrar y salir de los electrodos de manera eficiente durante la carga y descarga durante cientos de ciclos.
El nuevo electrolito del equipo también ofrece muchas otras ventajas. Es de bajo costo porque puede fabricarse con una pureza y un rendimiento extremadamente altos en un solo paso en lugar de múltiples pasos. Es respetuoso con el medio ambiente porque utiliza mucho menos disolvente, que es volátil y puede liberar contaminantes al medio ambiente. Y es más seguro porque no es inflamable.
“Las baterías de metal de litio con nuestro electrolito catiónico fluorado podrían impulsar considerablemente la industria de los vehículos eléctricos”, dijo Zhang. “Y la utilidad de este electrolito, sin duda, se extiende a otros tipos de sistemas de baterías avanzadas más allá del ion de litio”.
Fuente: Tech Xplore.
