Un ingrediente en muchas pastas de dientes es el fluoruro de sodio, un compuesto de fl\u00faor. Se a\u00f1ade para proteger los dientes contra las caries. Pero los compuestos que contienen fl\u00faor tienen otros usos pr\u00e1cticos que podr\u00edan sorprenderte. Los cient\u00edficos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energ\u00eda de EE. UU. (DOE) han descubierto un electrolito de fluoruro que podr\u00eda proteger una bater\u00eda de pr\u00f3xima generaci\u00f3n contra la disminuci\u00f3n del rendimiento.<\/p>\n\n\n\n
“Una nueva y emocionante generaci\u00f3n de tipos de bater\u00edas para veh\u00edculos el\u00e9ctricos m\u00e1s all\u00e1 del ion de litio est\u00e1 en el horizonte”, dijo Zhengcheng (John) Zhang, l\u00edder de grupo en la divisi\u00f3n de Ingenier\u00eda y Ciencias Qu\u00edmicas de Argonne.<\/p>\n\n\n\n
La qu\u00edmica de las bater\u00edas que no son de iones de litio ofrece el doble o m\u00e1s de energ\u00eda almacenada en un volumen o peso determinado en comparaci\u00f3n con las de iones de litio. Podr\u00edan impulsar autom\u00f3viles para distancias mucho m\u00e1s largas e incluso podr\u00edan impulsar camiones y aviones de larga distancia alg\u00fan d\u00eda. La expectativa es que el uso generalizado de tales bater\u00edas ayude a abordar el problema del cambio clim\u00e1tico. El principal problema es que su alta densidad de energ\u00eda disminuye r\u00e1pidamente con la carga y descarga repetidas.<\/p>\n\n\n\n
Uno de los principales contendientes tiene un \u00e1nodo (electrodo negativo) hecho de metal de litio en lugar del grafito que normalmente se usa en las bater\u00edas de iones de litio. Por lo tanto, se denomina bater\u00eda de “metal de litio”. El c\u00e1todo (electrodo positivo) es un \u00f3xido met\u00e1lico que contiene n\u00edquel, manganeso y cobalto (NMC). Si bien puede entregar m\u00e1s del doble de la densidad de energ\u00eda posible con una bater\u00eda de iones de litio, ese rendimiento sobresaliente se desvanece r\u00e1pidamente en menos de cien ciclos de carga y descarga.<\/p>\n\n\n\n
La soluci\u00f3n del equipo implic\u00f3 cambiar el electrolito, un l\u00edquido a trav\u00e9s del cual los iones de litio se mueven entre el c\u00e1todo y el \u00e1nodo para implementar la carga y la descarga. En las bater\u00edas de metal de litio, el electrolito es un l\u00edquido 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 \u00e1nodo durante los primeros ciclos. Esta capa, tambi\u00e9n llamada interfase de electrolito s\u00f3lido (SEI), act\u00faa como un guardi\u00e1n, permitiendo que los iones de litio entren y salgan libremente del \u00e1nodo para cargar y descargar la bater\u00eda, respectivamente. Su investigaci\u00f3n se publica en la revista Nature Communications.<\/p>\n\n\n\n
El equipo descubri\u00f3 un nuevo solvente de fluoruro que mantiene una capa protectora s\u00f3lida durante cientos de ciclos. Acopla un componente fluorado que tiene carga positiva (cati\u00f3n) con un componente fluorado diferente que tiene carga negativa (ani\u00f3n). Esta combinaci\u00f3n es lo que los cient\u00edficos llaman l\u00edquido i\u00f3nico, un l\u00edquido que consta de iones positivos y negativos.<\/p>\n\n\n\n
“La diferencia clave en nuestro nuevo electrolito es la sustituci\u00f3n de \u00e1tomos de hidr\u00f3geno por fl\u00faor en la estructura similar a un anillo de la parte cati\u00f3nica del l\u00edquido i\u00f3nico”, dijo Zhang. “Esto marc\u00f3 la diferencia a la hora de mantener un alto rendimiento durante cientos de ciclos en una celda de metal de litio de prueba”.<\/p>\n\n\n\n
Para comprender mejor el mecanismo detr\u00e1s de esta diferencia a escala at\u00f3mica, el equipo se bas\u00f3 en los recursos inform\u00e1ticos de alto rendimiento de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalaci\u00f3n para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Como explic\u00f3 Zhang, las simulaciones en la supercomputadora Theta de ALCF revelaron que los cationes de fl\u00faor se adhieren y se acumulan en las superficies del \u00e1nodo y el c\u00e1todo 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 microscop\u00eda electr\u00f3nica de alta resoluci\u00f3n en Argonne y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pac\u00edfico revel\u00f3 que la capa SEI altamente protectora en el \u00e1nodo y el c\u00e1todo condujo a un ciclo estable.<\/p>\n\n\n\n
El equipo pudo ajustar la proporci\u00f3n de solvente de fluoruro a sal de litio para crear una capa con propiedades \u00f3ptimas, incluido un espesor SEI que no es ni demasiado grueso ni demasiado delgado. Debido a esta capa, los iones de litio podr\u00edan entrar y salir de los electrodos de manera eficiente durante la carga y descarga durante cientos de ciclos.<\/p>\n\n\n\n
El nuevo electrolito del equipo tambi\u00e9n 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 m\u00faltiples pasos. Es respetuoso con el medio ambiente porque utiliza mucho menos disolvente, que es vol\u00e1til y puede liberar contaminantes al medio ambiente. Y es m\u00e1s seguro porque no es inflamable.<\/p>\n\n\n\n
“Las bater\u00edas de metal de litio con nuestro electrolito cati\u00f3nico fluorado podr\u00edan impulsar considerablemente la industria de los veh\u00edculos el\u00e9ctricos”, dijo Zhang. “Y la utilidad de este electrolito, sin duda, se extiende a otros tipos de sistemas de bater\u00edas avanzadas m\u00e1s all\u00e1 del ion de litio”.<\/p>\n\n\n\n