Nuevo electrolito polimérico para baterías de litio-metal

Aunque las baterías de litio metal podrían ofrecer mayor seguridad, mejor densidad energética y menor peso que la tecnología de iones de litio -gracias a la sustitución del grafito, más pesado, por litio metal como ánodo-, esta química de baterías no funciona bien con electrolitos convencionales.

Por ello, los esfuerzos de investigación se han dirigido hacia electrolitos sólidos que puedan ofrecer un mejor rendimiento y sean compatibles con el ánodo de litio metálico, que actualmente presenta la mayor capacidad teórica de potencia específica.

Ahora, investigadores de la Universidad de Hong Kong (HKU) han diseñado electrolitos poliméricos de un solo ion sin disolventes que han aportado una mejora significativa en el transporte iónico para aplicaciones de baterías de litio-metal.

En los electrolitos líquidos, los cationes de litio y los aniones se mueven en direcciones opuestas para conducir la electricidad. Normalmente, los aniones se mueven al menos cuatro veces más rápido que los cationes de litio, por lo que la transferencia de cationes de litio contribuye sólo a una pequeña fracción (20%) de la corriente iónica global. Mientras tanto, un exceso de aniones se acumula en la interfaz entre el electrodo y el electrolito, provocando cortocircuitos internos y la pérdida de capacidad de la batería.

Los nuevos electrolitos poliméricos conductores de un solo ion diseñados por los investigadores de la HKU superan estas limitaciones y multiplican por cuatro, como mínimo, el transporte catiónico.

Los polímeros aniónicos en red están formados por aniones de borato unidos por enlaces ramificados de etilenglicol de diferentes proporciones estequiométricas, en los que los aniones están unidos a la estructura del polímero, lo que permite un transporte de cationes altamente selectivo.

Los investigadores controlaron la conductividad catiónica dentro del polímero mediante la ingeniería sistemática de la movilidad segmentaria. Esto les ayudó a trazar las reglas generales de diseño de una nueva clase de electrolitos sólidos altamente conductores, superando con éxito los problemas persistentes de los electrolitos sólidos actuales, como la baja ciclabilidad y el alto sobrepotencial.

“Creemos que los electrolitos poliméricos conductores de un solo ion abrirían la posibilidad de nuevas químicas de baterías que revolucionarían el campo de las baterías recargables y ofrecerían un alto nivel de seguridad, una elevada densidad de potencia y un largo ciclo de vida”, afirma Jingyi Gao, primer autor del trabajo de investigación.

Según el Dong-Myeong Shin, de la HKU, los electrolitos selectivos de iones también pueden acelerar la carga gracias a su bajo sobrepotencial. “Puede permitir que los vehículos eléctricos se carguen por completo en apenas el tiempo necesario para tomarse una taza de café. Esta notable ventaja abrirá una nueva era en el mundo de la energía limpia”, añade.

Sus hallazgos se analizan en “Engineered networking in a family of solvent-free single-ion conducting borate polymer network electrolytes for Li-metal battery applications” (Creación de redes de ingeniería en una familia de electrolitos de red de polímeros de borato conductores de un solo ion sin disolventes para aplicaciones de baterías de Li-metal), publicado en Chemical Engineering Journal.