Un equipo alemán creó una nueva batería de litio-metal con una densidad muy superior a la significativa de 500 Wh/kg y con capacidad para mantener su rendimiento durante cientos de ciclos.

Las baterías de iones de litio actuales hacen un magnífico trabajo para que el mundo moderno funcione, desde los vehículos eléctricos hasta los teléfonos inteligentes y los ordenadores portátiles, pero los científicos ven un gran potencial que podría desbloquearse mediante ajustes en su arquitectura. Una de las posibilidades más prometedoras es cambiar el grafito utilizado en uno de los electrodos de la batería por litio metálico puro, un material que puede contener hasta 10 veces más energía.

Por esta razón, el litio metálico es aclamado como un “material de ensueño” por algunos investigadores de baterías y podría ayudarnos a superar un cuello de botella clave en el almacenamiento de energía, pero los problemas de estabilidad plagaron la tecnología hasta ahora. Gran parte de ellos están relacionados con las reacciones adversas entre la solución electrolítica, que transporta los iones de litio, y los dos electrodos de la batería, el cátodo y el ánodo.

Entre los muchos grupos de investigación que trabajan para resolver este problema se encuentra un equipo del Karlsruhe Institute of Technology y del Helmholtz Institute Ulm (HIU), que idearon un diseño que evita en gran medida este problema.

Los investigadores empezaron con lo que se describe como un cátodo estratificado pobre en cobalto y rico en níquel (NCM88) y un electrolito orgánico disponible en el mercado llamado LP30. Aunque el cátodo alcanzaba una alta densidad energética, pronto se produjo una inestabilidad y la capacidad de almacenamiento disminuía a medida que la batería se sometía a ciclos.

“En el electrolito LP30, las partículas se agrietan en el cátodo”, explica el profesor Stefano Passerini, director de HIU. “Dentro de estas grietas, el electrolito reacciona y daña la estructura. Además, se forma una gruesa capa que contiene litio en el ánodo”.

Así que el equipo cambió el electrolito LP30 por uno alternativo, y uno que aportó profundas mejoras en el rendimiento. Descrito como un electrolito líquido iónico (ionic liquid electrolyte, ILE) no volátil, poco inflamable y de doble anión, este ingrediente resultó evitar en gran medida los defectos estructurales del cátodo y salvó a la batería de las fatales reacciones electroquímicas.

Y los resultados se califican, acertadamente, de “notables”. La batería de litio-metal con esta arquitectura tenía una densidad energética de 560 Wh/kg. Para contextualizar, hay consorcios de investigación dedicados a superar el umbral de la densidad de 500 Wh/kg para alimentar la próxima generación de vehículos eléctricos, mientras que las mejores baterías de iones de litio de la actualidad tienen densidades de energía de 250 a 300 Wh/kg.

A principios de este año, New Atlas informó sobre una batería de litio-metal con una densidad energética de 350 Wh/kg que batió el récord y conservó el 76% de su capacidad en 600 ciclos. En términos de longevidad, el nuevo diseño de la batería de litio-metal también se comportó notablemente bien, comenzando con una capacidad de almacenamiento inicial de 214 mAh/g en el material del cátodo y conservando el 88% de la misma a lo largo de 1.000 ciclos.

El diagrama muestra el rendimiento de la nueva batería de litio-metal, en comparación con un diseño más convencional.

Otro aspecto en el que la nueva batería de litio-metal demostró ser muy capaz fue en su eficiencia coulómbica, que se refiere a la eficacia con la que los iones de litio se transfieren entre el ánodo y el cátodo.

Cargar 100 iones de litio y recuperar 100 tras la descarga supondría una eficiencia culombiana del 100%, y según Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de ciencia de los fotones en el SLAC National Accelerator Laboratory, las baterías comerciales necesitan una eficiencia de al menos el 99,9% para ser viables. Los creadores de esta nueva batería de litio-metal informan de una eficiencia culombiana media del 99,94%.

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