Científicos españoles abren la puerta a baterías más eficientes gracias a estas nuevas sales de litio

El grupo de polímeros del centro de investigación CIC energyGUNE, supervisado por Michel Armand y María Martínez, ha centrado sus esfuerzos en el desarrollo de sales de litio que permitan crear electrolitos más eficientes. Esto abre la puerta a baterías más seguras y de alta densidad energética.

El desarrollo de baterías y sistemas de almacenamiento de energía más eficientes es uno de los principales objetivos de la industria y también del ámbito académico-científico. Sin embargo, estos esfuerzos se han dirigido tradicionalmente hacia la búsqueda de nuevos materiales para el cátodo y el electrolito.

Sin embargo, el grupo de investigadores perteneciente al departamento de polímeros del CIC energyGUNE, el centro de investigación para almacenamiento de energía electroquímica y térmica del Gobierno Vasco, ha optado por otro enfoque: las sales de litio.

Sales de litio, un nicho inexplorado

Las sales de litio son uno de los componentes principales de los electrolitos dentro de una batería. Están basados en un anión inorgánico y un catión de litio, el cual es el responsable de la conductividad de litio en el sistema.

Las sales tienen un rol imprescindible en los electrolitos, puesto que son las que hacen posible la conductividad iónica, proporcionan estabilidad electroquímica y térmica e influyen en la corrosión del sistema. Adicionalmente, las sales de litio tienen relación directa con la ciclabilidad (ciclos de carga y descarga) de la batería, que está muy relacionada con la calidad y estabilidad de la capa protectora creada en el ánodo

A pesar de llevar muchos años en el mercado, el LiPF6 (hexafluorofosfato de litio) sigue siendo la sal de referencia en los electrolitos líquidos, así como el LiTFSI (bis trifluorometanosulfonil imida de litio) lo sigue siendo en el caso de los electrolitos poliméricos.

Por ello, el equipo de investigación del CIC energyGUNE ha desarrollado unas nuevas sales integradas en el electrolito que son capaces de promover un ciclado sin dendritas (estructuras metálicas muy delgadas). Esto es posible debido a la facilidad que tienen para generar una capa protectora en el ánodo de litio mediante su descomposición. Además, son capaces de proteger el resto de los componentes de la batería ante las posibles corrosiones por el alto voltaje.

Sales de litio basadas en sulfonamidas

Durante años, y bajo la supervisión de Michel Armand y María Martínez, el grupo de polímeros del CIC energyGUNE ha desarrollado diversas sales de litio basadas en sulfonamidas. En 2020, dicho grupo informó sobre una sal de litio libre de grupos CF3, que si bien mejoran la plastificación de los sistemas basados en electrolito sólido, disponen de una alta estabilidad que impide la generación de capas protectoras en el ánodo de litio. A consecuencia de esto, no se produce la pasivación y protección frente a las dendritas.

Al año siguiente, dicho equipo reportó la creación de dos tipos distintos de sales basadas en grupos benceno. Estas conjugaban las buenas propiedades de solvatación de la sal de referencia LiTFSI con una mayor selectividad de la conducción de iones de litio tres veces superior a la referencia. Gracias a esto, se mejoraba la ciclabilidad del sistema al reducir la presencia de dendritas.

Este mismo año, el estudio se ha centrado en la sal LiDFTFSI, una sulfomamida basada en LiTFSI a la que se ha sustituido un átomo de flúor por uno de hidrógeno. Esta sustitución da lugar a una molécula asimétrica químicamente más inestable que ya en 2018 demostró su idoneidad para generar una capa protectora en el litio. Algo que permitía aumentar la vida útil de una batería de bajo voltaje en un 600%.

Baterías más seguras y estables

En este nuevo estudio, el equipo de investigación ha demostrado que la descomposición de esta sal de litio genera una capa protectora en el ánodo que reduce su reactividad y aumenta su vida útil. Pero también que dicha capa protectora es generada en el cátodo, eliminando o protegiendo al sistema de la corrosión debido al alto voltaje.

Un avance de gran importancia, puesto que demuestra la viabilidad de esta sal para ser usada en los cátodos de alto voltaje que se están desarrollando actualmente, aumentando su vida útil debido a la pasivación y protección del colector de corriente.

Como resumen, se podría concluir que se ha desarrollado con éxito una sal de litio con una estabilidad anódica alta y no corrosiva, garantizando así la seguridad del sistema. Por otro lado, el electrolito desarrollado que contiene nuevas estructuras salinas es capaz de mejorar la retención de capacidad y la estabilidad de la batería llegando a los 200 ciclos. Por tanto, este trabajo sienta las bases de futuras optimizaciones del sistema que permitan hacer realidad la aplicación práctica de este tipo de electrolitos.