La creciente demanda de baterías de iones de litio en los últimos años, ha puesto a prueba el suministro mundial de cobalto y níquel -dos metales que forman parte integral de los diseños actuales de baterías- y ha hecho que los precios aumenten.
En un intento por desarrollar diseños alternativos para baterías con menor dependencia de esos escasos metales, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, financiado por la Oficina de Investigación del Ejército, han desarrollado un nuevo y prometedor sistema de cátodos y electrolitos que reemplaza a los metales caros y al electrolito líquido tradicional, por fluoruros metálicos de transición de menor coste y un electrolito de polímero sólido.
«Los electrodos, fabricados a partir de fluoruros metálicos de transición, han mostrado durante mucho tiempo problemas de estabilidad y fallos rápidos, lo que ha provocado un escepticismo significativo sobre su capacidad para ser empleados en baterías de próxima generación», dijo Gleb Yushin, profesor de la Escuela de Ingeniería y Ciencia de Materiales de Georgia Tech. «Pero hemos demostrado que cuando se usan con un electrolito de polímero sólido, los fluoruros metálicos muestran una estabilidad notable, incluso a temperaturas más altas, lo que podría conducir a baterías de iones de litio más seguras, ligeras y baratas».
En una batería de iones de litio típica, la energía se libera durante la transferencia de iones de litio entre dos electrodos – un ánodo y un cátodo, que normalmente se compone de litio y metales de transición como el cobalto, el níquel y el manganeso. Los iones fluyen entre los electrodos a través de un electrolito líquido.
«El profesor Yushin ha identificado un enfoque novedoso, para permitir el uso de cátodos de fluoruro de hierro y aborda cuestiones relacionadas con cambios dimensionales y reacciones secundarias parasitarias para desarrollar baterías de litio», dijo el Dr. Robert Mantz, jefe de división de electroquímica de la Oficina de Investigación del Ejército. «Se espera que las tecnologías que usan los soldados aumenten significativamente, así como la potencia necesaria y las fuentes de energía para operarlas. Esta investigación podría hacer que la energía de la batería esté más fácilmente disponible en una forma segura y fácilmente transportable».
Para el estudio, publicado en la revista Nature Materials, el equipo de investigación fabricó un nuevo tipo de cátodo a partir de material activo de fluoruro de hierro y un nanocompuesto electrolítico de polímero sólido. Los fluoruros de hierro tienen más del doble de capacidad que el litio de los cátodos tradicionales a base de cobalto o níquel. Además, el hierro es 300 veces más barato que el cobalto y 150 veces más barato que el níquel.
Para producir tal cátodo, los investigadores desarrollaron un proceso para infiltrar un electrolito de polímero sólido en el electrodo prefabricado de fluoruro de hierro. Luego presionaron en caliente toda la estructura para aumentar la densidad y reducir los huecos.
Dos características principales del electrolito a base de polímeros son su capacidad para flexionar y acomodar la hinchazón del fluoruro de hierro durante el ciclo y su capacidad para formar una interfase muy estable y flexible con el fluoruro de hierro. Tradicionalmente, esa hinchazón y las reacciones laterales masivas han sido problemas clave en el uso del fluoruro de hierro en los diseños de baterías anteriores.
«Los cátodos hechos de fluoruro de hierro tienen un enorme potencial debido a su alta capacidad, bajos costos de material y muy amplia disponibilidad de hierro», dijo Yushin. «Pero los cambios de volumen durante el ciclo, así como las reacciones secundarias parasitarias con electrolitos líquidos y otros problemas de degradación han limitado su uso anteriormente. Usar un electrolito sólido con propiedades elásticas resuelve muchos de estos problemas».
Los investigadores luego probaron varias variaciones de las nuevas baterías de estado sólido para analizar su rendimiento durante más de 300 ciclos de carga y descarga a una temperatura elevada de 122 grados Fahrenheit, señalando que superaban a los diseños anteriores que utilizaban fluoruro metálico incluso cuando éstos se mantenían fríos a temperatura ambiente.
Los investigadores encontraron que la clave para mejorar el rendimiento de la batería era el electrolito de polímero sólido. En intentos anteriores de usar fluoruros metálicos, se creía que los iones metálicos migraban a la superficie del cátodo y eventualmente se disolvían en el electrolito líquido, causando una pérdida de capacidad, particularmente a temperaturas elevadas. Además, los fluoruros metálicos catalizaron la descomposición masiva de electrolitos líquidos cuando las celdas estaban operando a más de 100 grados Fahrenheit. Sin embargo, en la conexión entre el electrolito sólido y el cátodo, tal disolución no tiene lugar y el electrolito sólido permanece notablemente estable, previniendo tales degradaciones, escribieron los investigadores.
«El electrolito polimérico que utilizamos era muy común, pero muchos otros electrolitos sólidos y otras arquitecturas de baterías o electrodos, como las morfologías de partículas en el núcleo, deberían ser capaces de mitigar de manera similar y dramática o incluso de prevenir completamente las reacciones secundarias parasitarias y lograr características de rendimiento estables», dijo Kostiantyn Turcheniuk, científico investigador del laboratorio de Yushin y coautor del manuscrito.
En el futuro, los investigadores pretenden desarrollar electrolitos sólidos nuevos y mejorados para permitir la carga rápida y también, combinar electrolitos sólidos y líquidos en nuevos diseños, que sean totalmente compatibles con las tecnologías convencionales de fabricación de células empleadas en las grandes fábricas de baterías.
«La implementación exitosa de estos materiales en las baterías permitiría aumentos significativos en la seguridad y el peso de las baterías, reduciendo así el peso que transportan los soldados», dijo Mantz.
Fte. .S. Army CCDC Army Research Laboratory Public Affairs
