Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos y de la Universidad de Maryland han desarrollado por primera vez una batería de litio-ion, que usa una solución de agua-sal como electrolito y que alcanza la marca de 4,0 voltios deseada para la electrónica doméstica, sin los riesgos de incendio y explosión asociados con algunas baterías de litio-ion no acuosas comercialmente disponibles.
El trabajo apareció el 6 de septiembre en Joule, el nuevo periódico interdisciplinario de energía de Cell Press.
Esta tecnología aportará una » batería de iones de litio que proporciona seguridad y flexibilidad, con una densidad de energía idéntica a las baterías de iones de litio SOA. Las baterías seguirán siendo seguras, sin riesgo de fuego ni explosión, incluso bajo graves abusos mecánicos «, dijo el Dr. Kang Xu, co-autor principal del estudio, quien está especializado en electroquímica y ciencia de materiales.
«En el pasado, si se quería una energía alta, se elegía una batería de iones de litio no acuosa, pero comprometías tu seguridad. Si se prefiere la seguridad, se puede usar una batería acuosa como níquel / hidruro metálico, a cambio tendría que conformarse con energía más baja «, dijo Xu. «Ahora, estamos mostrando que se puede tener simultáneamente acceso a alta energía y alta seguridad.»
La investigación sigue un estudio de 2015 de la revista Science, que produjo una batería similar de 3,0 voltios con un electrolito acuoso, pero que no pudo alcanzar mayores voltajes por el denominado «desafío catódico», en el que un extremo de la batería, hecho de grafito o litio metálico, se degrada por el electrolito acuoso. Para resolver este problema y dar el salto de tres voltios a cuatro, Chongyin Yang, investigador asistente de la Universidad de Maryland, diseñó un nuevo recubrimiento de gel de polímero electrolito que se puede aplicar al grafito o ánodo de litio.
Este revestimiento hidrofóbico expulsa las moléculas de agua de la vecindad de la superficie del electrodo y luego, al cargarse por primera vez, se descompone y forma una interfase estable – una mezcla delgada de productos de descomposición que separa el ánodo sólido del electrolito líquido. Esta interfase, inspirada en una capa generada dentro de baterías no acuosas, protege el ánodo de reacciones secundarias debilitadoras. Esto permite que la batería utilice materiales de ánodo deseables, tales como grafito o metal de litio, y lograr mejor densidad de energía y capacidad de ciclo.
«La innovación clave es conseguir el gel adecuado que puede bloquear el contacto del agua con el ánodo, para que el agua no se descomponga y también pueda formar la interfase correcta para soportar un alto rendimiento de la batería», dijo Chunsheng Wang.
La adición del revestimiento de gel también aumenta la seguridad de la nueva batería cuando se compara con las baterías de litio-ion no acuosas estándar y aumenta la densidad de energía cuando se compara con cualquier otra batería de iones de litio acuosa. Todas las baterías acuosas de iones de litio se benefician de la no inflamabilidad de los electrolitos a base de agua en comparación con los disolventes orgánicos altamente inflamables utilizados en sus contrapartes no acuosas.
Sin embargo, esta batería es única en que incluso cuando la capa de interfase está dañada (por ejemplo, si la carcasa de la batería se pinchó), reacciona lentamente con el ánodo de grafito litio o litiado, evitando el humo, el fuego o la explosión que pueden ocurrir si una batería dañada pone el metal al contacto directo con el electrolito.
Aunque la potencia y la densidad de energía de la nueva batería son adecuadas para aplicaciones comerciales, actualmente potenciadas por baterías no acuosas más peligrosas, ciertas mejoras la harían aún más competitiva. En particular, los investigadores desean aumentar el número de ciclos de rendimiento completo que la batería puede completar y reducir los gastos materiales cuando sea posible. «En este momento, estamos hablando de 50-100 ciclos, pero para comparar con las baterías de electrólito orgánico, queremos llegar a 500 o más», dijo Wang.
Los investigadores también señalan que las manipulaciones electroquímicas detrás del salto a cuatro voltios tienen importancia dentro de la tecnología de baterías y más allá. «Esta es la primera vez que somos capaces de estabilizar ánodos realmente reactivos como el grafito y el litio en medios acuosos», dice Xu. «Esto abre una amplia ventana en muchos temas diferentes en la electroquímica, como las baterías de iones de sodio, baterías de litio-azufre, química de iones múltiples que implican zinc y magnesio, o incluso electrochapado y síntesis electroquímica; no lo hemos explorado completamente todavía.
«Xu dijo que la química de la interfase necesita ser perfeccionada antes de que pueda ser comercializada. También que hay más trabajo que hacer en la ampliación de la tecnología en células grandes para las pruebas. Con suficiente financiación, la química de 4 voltios podría estar lista para comercializarse en unos cinco años, dijo.
Fte.: Defense Talks
