Electrolito sólido. La gran promesa.

La universidad de OAK ha publicado en los últimos meses varios artículos de lo que podría ser un gran salto evolutivo en las baterías, tanto para las de ion-litio como para las prometedoras litio-azufre. Esta vez no se trata de otro prometedor cátodo o de un nueva nanoestructura con grafeno. Es algo mucho más revolucionario, es el prometedor electrolito sólido, el Santo Grial de las baterías.

La reintroducción de los coches eléctricos en el mercado ha supuesto todo un reto a la tecnología actual de baterías de ion-litio que, aunque suficientes para el día a día, no logran alcanzar los requisitos de los usuarios acostumbrados a la autonomía y la velocidad de recarga de los vehículos con motores térmicos.

Cristales porosos de Li₃PS₄

Para llegar a satisfacer la demanda las futuras baterías han de triplicar, como mínimo, en capacidad a las actuales y soportar recargas rápidas sin sufrir fatiga. Pero mucho más importante que todo eso, han de ser seguras. Cerciorarse de que problemas como el del Mitsubishi Outlander o el Boeing 787 Dreamliner no puedan ocurrir. Y la mejor forma es eliminar el material inflamable de las baterías, el electrolito liquido.

Las baterías actuales contienen un electrolito orgánico que disuelve los iones de litio y permite que estos “naden” desde entre el ánodo y el cátodo durante los ciclos de carga y descarga. El problema es que este líquido es inflamable. Aunque es inusual no es descartable que con un aumento de temperatura y con la formación de oxigeno durante las reacciones químicas que se dan en la pila el electrolito pueda causar un fuego o una pequeña explosión.

Sustituir esté electrolito por un compuesto sólido no inflamable solucionaría no solo ese problema. Reduciría además la reacciones no deseadas que dan en la pila (ver entrada, Vida y muerte de una batería de ion-litio (parte II) ) mejorando su rendimiento y por otro lado permitiría el uso de cátodos con mayor proporción de litio, incluso litio metálico puro, reduciendo así la cantidad de material del ánodo, por lo tanto su peso y consecuentemente aumentado la relación energía/peso de la batería.

Desafortunadamente los electrolitos sólidos conocidos tienen muy poca conductividad, por lo que la densidad de corriente es insuficiente para cubrir las necesidades normales de una batería. Por el momento el compuesto más aventajado son los derivados del tetratiofosfato de litio, Li₃PS₄, que consiguen conductividades a temperatura ambiente comparables a los electrolitos líquidos, pero son laboriosos y caros de fabricar.

En ese sentido la universidad de Oak, financiada por el departamento de energía estadounidense, el DOE, ha dado dos grandes pasos hacia la producción comercial de estos compuestos y su consecuente aplicación en baterías. Han descubierto una ruta sintética para obtener Li₃PS₄ de forma más sencilla y posteriormente lo ha polimerizado con azufre para obtener un compuesto rico en azufre que actúa a la vez como cátodo y como electrolito.

Usando litio metálico para el ánodo y el cátodo de este compuesto han logrado una capacidad 8 veces mayor que los cátodos de las baterías de ion litio pudiendo soportar cargas a 2C con perdidas reversibles y durante 300 ciclos sin apenas perder capacidad, ya que el azufre no se degrada. Siendo el voltaje de las baterías aproximadamente la mitad que en la de ion-litio la ganancia es aun de 4 veces. Estas pilas rinden mejor alrededor de los 60ºC, ya que mejora la conductividad del cátodo, dejando el calentamiento de ser una problema y sin peligros de incendios.

Artículos relacionados

Vida y muerte de una batería de ion-litio (parte I)
Vida y muerte de una batería de ion-litio (parte II)
Vida y muerte de una batería de ion-litio (parte III)
Baterías con electrolito sólido ¿el futuro?

Fuentes | ORLN | Angewandte | JACS