Científicos del Laboratorio Nacional Argonne han desarrollado un electrolito con flúor para baterías de iones de litio cuyo rendimiento de carga sigue siendo alto en regiones y estaciones frías. También han determinado por qué es tan eficaz. El informe de la investigación se ha publicado en la revista Advanced Energy Materials.
Muchos propietarios de vehículos eléctricos se preocupan por la eficacia de sus baterías en climas muy fríos. Ahora, una nueva química de baterías puede haber resuelto ese problema.
En las actuales baterías de iones de litio, 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, haciendo que ésta se cargue y descargue. Pero el líquido empieza a congelarse a temperaturas bajo cero.
Esta condición limita gravemente la eficacia de la carga de vehículos eléctricos en regiones y estaciones frías.
Para resolver este problema, un equipo de científicos de los laboratorios nacionales Argonne y Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha desarrollado un electrolito con flúor que funciona bien incluso a temperaturas bajo cero.
Zhengcheng “John” Zhang, químico senior y jefe de grupo de la división de Ciencias Químicas e Ingeniería de Argonne, ha declarado: “Nuestro equipo no sólo ha encontrado un electrolito anticongelante cuyo rendimiento de carga no disminuye a menos 4 grados Fahrenheit, sino que también hemos descubierto, a nivel atómico, qué es lo que lo hace tan eficaz.”
Este electrolito de baja temperatura promete funcionar en las baterías de los vehículos eléctricos, así como en el almacenamiento de energía para redes eléctricas y aparatos electrónicos de consumo como ordenadores y teléfonos.
En las baterías de iones de litio actuales, el electrolito es una mezcla de una sal ampliamente disponible (hexafluorofosfato de litio) y disolventes carbonatados como el carbonato de etileno. Los disolventes 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) hasta el ánodo (grafito). Estos iones salen del cátodo y atraviesan el electrolito hasta llegar al ánodo. Mientras son transportados por el electrolito, se sitúan en el centro de grupos de cuatro o cinco moléculas de disolvente.
Durante las primeras cargas, estos grupos golpean la superficie del ánodo y forman una capa protectora denominada interfase sólido-electrolito. Una vez formada, esta capa actúa como un filtro. Sólo permite que los iones de litio atraviesen la capa, mientras que bloquea las moléculas de disolvente. De este modo, el ánodo es capaz de almacenar átomos de litio en la estructura del grafito al cargarse. Al descargarse, las reacciones electroquímicas liberan electrones del litio que generan electricidad capaz de propulsar vehículos.
El problema es que, a bajas temperaturas, el electrolito con disolventes de carbonato empieza a congelarse. Como resultado, pierde la capacidad de transportar iones de litio al ánodo en la carga. Esto se debe a que los iones de litio están muy ligados a los grupos de disolventes. De ahí que estos iones necesiten mucha más energía para evacuar sus cúmulos y penetrar en la capa de interfase que a temperatura ambiente. Por eso, los científicos han estado buscando un disolvente mejor.
El equipo investigó varios disolventes con flúor. Consiguieron identificar la composición que presentaba la menor barrera energética para liberar los iones de litio de las agrupaciones a temperaturas bajo cero. También determinaron a escala atómica por qué esa composición concreta funcionaba tan bien. Dependía de la posición de los átomos de flúor dentro de cada molécula de disolvente y de su número.
En las pruebas realizadas con células de laboratorio, el electrolito fluorado del equipo mantuvo estable su capacidad de almacenamiento de energía durante 400 ciclos de carga y descarga a -4° F. Incluso a esa temperatura bajo cero, la capacidad era equivalente a la de una célula con un electrolito convencional a base de carbonatos a temperatura ambiente.
Zhang señaló: “Nuestra investigación demostró así cómo adaptar la estructura atómica de los disolventes electrolíticos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero”.
El electrolito anticongelante tiene una propiedad adicional. Es mucho más seguro que los electrolitos basados en carbonatos que se utilizan actualmente, ya que no se incendia.
El electrolito fluorado del equipo de Argonne no se inflama en las pruebas de banco. Crédito de la imagen: Argonne National Laboratory. Para más información, haga clic en el enlace del informe de investigación que, al publicarse, no es de pago.
“Estamos patentando nuestro electrolito de baja temperatura y más seguro, y ahora buscamos un socio industrial para adaptarlo a uno de sus diseños de baterías de iones de litio”, añade Zhang.
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.
Conseguir una función completa hasta -4 Fahrenheit es una gran mejora. Además el retardante de fuego tiene que hacer su tecnología muy fuertemente convincente. Pero el mercado mandará. La gente tiene que saber pedir y demandar, las empresas tienen que encontrar el coste más bajo para que las atracciones se conviertan en ventas.
Será interesante ver cómo evoluciona esta tecnología.
FUENTE: OilPrice
