Ya sean teléfonos inteligentes o coches eléctricos: las baterías de iones de litio son habituales en muchos sectores. Sin embargo, lo que no es práctico es que suelen tardar mucho en cargarse y pierden gran parte de su capacidad a bajas temperaturas. Ahora los investigadores han desarrollado una nueva solución de electrolitos que podría mejorar ambas áreas. El disolvente está formado por moléculas muy pequeñas capaces de mejorar el transporte de iones dentro de la batería y por tanto acelerar la carga. Además, la capacidad se mantuvo relativamente alta incluso a -70 grados centígrados.
Cualquiera que conduzca un coche eléctrico puede decirle un par de cosas: las rutas que no son un problema en verano requieren una parada para cargar en invierno. Esto a su vez lleva algún tiempo. La velocidad a la que se puede cargar una batería está limitada por la conductividad del electrolito que contiene. Esto determina qué tan bien pueden moverse los iones de litio dentro de la batería. Para baterías más antiguas se aplica lo siguiente: cuanto mayor sea la conductividad, más rápido se podrá cargar la batería, pero mayor será la pérdida de energía en caso de frío.
Propiedades aparentemente contradictorias
«El electrolito ideal requeriría propiedades contradictorias», explica un equipo dirigido por Di Lu de la Universidad de Zhejiang en China. “Al mismo tiempo, debería permitir que las sales de litio se disuelvan en gran medida, solo tendría una barrera de baja energía para el transporte de iones de litio y también debería formar una capa en el electrodo negativo durante la carga para permitir una carga rápida. Estas propiedades nunca podrán lograrse simultáneamente con los electrolitos actuales».
Lu y su equipo han encontrado ahora una manera de combinar una carga rápida y un alto rendimiento a bajas temperaturas: mientras que los disolventes utilizados anteriormente como electrolitos consisten en moléculas relativamente grandes, proponen utilizar un disolvente llamado fluoroacetonitrilo, cuyas moléculas individuales son significativamente más pequeñas. Las moléculas de disolvente pueden rodear a los iones de litio como una capa. Mientras que los disolventes más grandes forman sólo una capa alrededor de cada ion de litio, lo que resulta en un transporte lento de iones, el fluoroacetonitrilo forma dos capas que funcionan juntas como una especie de túnel para los iones. De este modo, los iones de litio se mueven rápidamente de un polo de la batería al otro.
Rendimiento incluso a temperaturas bajo cero
En los experimentos del equipo de investigación, las baterías que utilizaban fluoroacetonitrilo como disolvente alcanzaron una conductividad iónica de 40,3 milisiemens por centímetro a temperatura ambiente, aproximadamente cuatro veces mayor que las baterías anteriores. Al mismo tiempo, el disolvente también resiste bajas temperaturas, como han demostrado las pruebas. Incluso a -70 grados Celsius, la conductividad iónica seguía siendo similar a la de las baterías normales a temperatura ambiente, y aproximadamente 10.000 veces mayor que la de los electrolitos anteriores a temperaturas tan bajas.
«El electrolito con pequeñas moléculas de disolvente permite que las baterías de iones de litio alcancen simultáneamente una alta densidad de energía, una carga rápida y un amplio rango de temperatura de funcionamiento», escriben Lu y sus colegas. Según los investigadores, la vida útil de la nueva batería también es larga. En las pruebas, la batería manejó más de 3000 ciclos de carga y descarga.
La próxima generación de baterías de iones de litio
«Esta investigación abre nuevas vías para el desarrollo de la próxima generación de baterías de iones de litio», escriben Chong Yan y Jia-Qi Huang del Instituto de Tecnología de Beijing en un comentario que acompaña al estudio, también publicado en la revista Nature. «La forma previamente desconocida de transporte estructural de iones de litio dentro de la batería podría inspirar enfoques innovadores para la carga rápida y el desarrollo de baterías de baja temperatura».
Fuente: Di Lu (Universidad de Zhejiang, China) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-024-07045-4
