Los rayos X revelan las claves para conseguir mejores baterías de coches eléctricos

Las baterías se han convertido en la llave de la energía limpia, tanto en lo que a fuentes renovables respecta como en la misión de descarbonizar el transporte a través de vehículos eléctricos. Y un equipo de científicos han encontrado respuestas a preguntas importantes.

Las baterías de iones de litio monopolizan el mercado de los productos electrónicos y también el de los vehículos eléctricos. Son las que mejor compromiso entre costes y rendimiento ofrecen, pero eso no quiere decir que se hayan convertido en la respuesta definitiva.

La industria y la ciencia lo saben, y por eso siguen trabajando en diversas alternativas que mejoren lo que actualmente brindan las baterías de iones de litio, así como en encontrar el modo de hacer estas mejores.

Ánodos de metal de litio

Una de las alternativas a la batería de iones de litio con ánodo de grafito es la de ánodo de metal de litio. Este tipo de batería proporciona una densidad energética muy superior, pero plantea el inconveniente de una mayor inestabilidad del ánodo a medida que la batería pasa por los ciclos de carga y descarga.

Con el objetivo de alcanzar los 500 Wh/kg que consideran que son posibles con este tipo de tecnología, un grupo de científicos ha realizado diversos experimentos que se han mostrado muy reveladores. En concreto, hablamos de químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL).

Estos investigadores se centraron en el estudio de la interfase, pues consideran que es la clave para estabilizar las baterías de metal de litio. En concreto, la interfase es una capa química formada entre el ánodo y el electrolito a medida que una batería se carga y descarga.

«La interfase influye en la ciclabilidad de toda la batería. Es un sistema muy importante, pero difícil de alcanzar», explica el químico de Brookhaven Enyuan Hu, quien dirigió el estudio. «Muchas técnicas pueden dañar esta muestra pequeña y sensible, que también tiene fases cristalinas y amorfas».

Hasta ahora, diversos científicos han trabajado con diversas técnicas experimentales, como la criomicroscopía electrónica, para entender mejor la interfase y la química se se desarrolla durante la misma. Sin embargo, los resultados han sido demasiado ambiguos. Hasta ahora.

Rayos X ultrabrillantes para estudiar la interfase

El nuevo método ideado por este grupo de científicos se basa en el uso de una herramienta denominada National Synchrotron Light Source (NSLS-II), que se encuentra en la Oficina de Ciencias del DOE.

Esta es capaz de generar rayos X ultrabrillantes que permiten estudiar la composición a escala atómica de los materiales. Y con ella, el equipo de trabajo de Hu ha hecho nuevos descubrimientos sobre la química de la batería de ánodo de metal de litio.

«Hemos descubierto que los rayos X de sincrotrón de alta energía no dañan la muestra de interfase», explica Hu. «Esto es muy importante, porque uno de los mayores desafíos en la caracterización de la interfase es que las muestras son altamente sensibles a otros tipos de radiación, incluidos los rayos X de baja energía».

«Así que, en este trabajo, aprovechamos dos técnicas que utilizan rayos X de alta energía; difracción de rayos X y análisis de función de distribución de pares, para capturar la química de las fases cristalina y amorfa en la interfase del ánodo de metal de litio», desarrolla Hu.

Tras completar 50 ciclos de carga de la batería, el equipo de Hu desmontó la celda y extrajo una pequeña cantidad de polvo de interfase de la superficie de metal de litio. A continuación, dirigió los rayos X de alta energía a dicha muestra, descubriendo varias cosas importantes.

Claves para mejores baterías de metal de litio

Gracias a este método, los investigadores han podido trazar un mapa detallado de los componentes de la interfase en relación a sus orígenes, funcionalidades, interacciones y evoluciones.

Específicamente, el equipo identificó que el hidróxido de litio, que se puede encontrar de forma nativa en el ánodo de metal de litio, es el probable contribuyente al hidruro de litio. Controlar la composición de este compuesto ayudará a los científicos a diseñar una interfase mejorada con el mayor rendimiento posible.

También descubrieron que el fluoruro de litio, vital en el rendimiento electroquímico, se puede formar a gran escala con electrolitos de baja concentración. Hasta ahora, la creencia era que esto únicamente podía ocurrir con electrolitos de alta concentración, lo que afecta negativamente a la rentabilidad de las baterías.

«En tercer lugar, observamos el hidróxido de litio para comprender cómo se consume durante el ciclo de la batería. Todos estos son hallazgos muy nuevos e importantes para comprender la interfase», agrega Brookhaven Sha Tan, primer autor del artículo.

La combinación de estos hallazgos permite conocer más sobre los componentes que participan en la interfase, lo que a su vez hará posible diseños más precisos y controlables que impulsen las baterías de metal de litio. ¿Acabarán convirtiéndose en el relevo natural de las baterías actuales de iones de litio o, al menos, abrirán la puerta a químicas más eficientes?