El fluoruro de sodio, un compuesto de fluoruro, es un ingrediente en muchas pastas dentales. Se añade para proteger los dientes de la caries. Pero los compuestos que contienen flúor tienen otros usos prácticos que pueden sorprenderte. Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto un electrolito de fluoruro que puede proteger una batería de próxima generación de la degradación del rendimiento.
“Una emocionante nueva generación de baterías para vehículos eléctricos está en el horizonte más allá de las baterías de iones de litio.” dijo Zhengcheng (John) Zhang, líder de grupo en la división de ingeniería y ciencias químicas de Argonne.
La composición química de las baterías que no son de iones de litio ofrece dos o más energía almacenada en un volumen o peso determinado en comparación con las baterías de iones de litio. Podían propulsar automóviles a distancias mucho mayores, y un día podrían incluso propulsar camiones y aviones a largas distancias. Se espera que el uso generalizado de tales baterías ayude a resolver el problema del cambio climático. El principal problema es que su alta densidad de energía cae en picado con la carga y descarga repetidas.
Uno de los principales contendientes tiene un ánodo (electrodo negativo) hecho de metal de litio en lugar del grafito que normalmente se usa en las baterías de iones de litio. por eso se llama A “litio metálico” batería. El cátodo (electrodo positivo) es un óxido metálico que contiene níquel, manganeso y cobalto (NMC). Si bien puede entregar más del doble de la densidad de energía de una batería de iones de litio, este rendimiento excepcional desaparece rápidamente en menos de cien ciclos de carga y descarga.
La solución del equipo fue cambiar el electrolito, el líquido en el que los iones de litio se mueven entre el cátodo y el ánodo para implementar la carga y descarga. En las baterías de metal de litio, el electrolito es un líquido que consiste en una sal que contiene litio disuelta en un solvente. La raíz del problema del ciclo de vida corto es que el electrolito no forma una capa protectora adecuada en la superficie del ánodo durante los primeros ciclos. Esta capa, también llamada interfase de electrolito sólido (SEI), actúa como un guardián, permitiendo que los iones de litio fluyan libremente hacia y desde el ánodo, cargando y descargando la batería en consecuencia.
Los resultados de su investigación han sido publicados en la revista comunicación de la naturaleza.
El equipo ha descubierto un nuevo disolvente de fluoruro que mantiene una capa protectora sólida durante cientos de ciclos. Combina un componente fluorado con carga positiva (catión) con otro componente fluorado con carga negativa (anión). Esta combinación es lo que los científicos llaman líquido iónico, un líquido compuesto de iones positivos y negativos.
“La diferencia clave en nuestro nuevo electrolito es el reemplazo del flúor con átomos de hidrógeno en la estructura del anillo de la parte catiónica del líquido iónico,” dijo Zhang. “Esto tuvo un impacto decisivo en el mantenimiento de una alta eficiencia durante cientos de ciclos en la celda de prueba de litio-metal.”
Para comprender mejor el mecanismo de esta diferencia de escala atómica, el equipo utilizó los recursos informáticos de alto rendimiento de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE.
Como explicó Zhang, las simulaciones realizadas en la supercomputadora ALCF Theta revelaron que los cationes de flúor se adhieren y acumulan en las superficies del ánodo y el cátodo antes de cualquier ciclo de carga y descarga. Luego, durante las primeras etapas del ciclo, se forma una capa resistente de SEI que es mejor de lo que era posible con los electrolitos anteriores.
La microscopía electrónica de alta resolución en el Laboratorio Nacional de Argonne y el Noroeste del Pacífico reveló que la capa SEI altamente protectora en el ánodo y el cátodo condujo a un ciclo estable.
El equipo pudo ajustar la proporción de solvente de fluoruro a sal de litio para crear una capa con propiedades óptimas, incluido un espesor SEI que no es ni demasiado grueso ni demasiado delgado. Gracias a esta capa, los iones de litio pueden fluir eficientemente hacia y desde los electrodos durante la carga y descarga durante cientos de ciclos.
El nuevo electrolito desarrollado por el equipo también ofrece muchos otros beneficios. Es económico porque puede fabricarse con una pureza y un rendimiento extremadamente altos en un solo paso en lugar de múltiples pasos. Es respetuoso con el medio ambiente porque utiliza mucho menos disolvente, que es volátil y puede liberar contaminantes al medio ambiente. Y es más seguro porque no es inflamable.
“Las baterías de metal de litio con nuestro electrolito catiónico fluorado pueden acelerar en gran medida la industria de vehículos eléctricos,” dijo Zhang. “Y la utilidad de este electrolito, sin duda, se extiende a otros tipos de sistemas de baterías avanzadas además de las de iones de litio.”
Más información:
Qian Liu et al., el catión fluorado presenta una nueva química interfacial para permitir baterías de metal de litio de alto voltaje, comunicación de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38229-7