Científicos perfeccionan el electrolito para las baterías de Li-ion de estado sólido

Las baterías de iones de litio de estado sólido son la apuesta de futuro para la movilidad. Su densidad energética y seguridad, junto con los costes de fabricación son sus principales ventajas. Sin embargo, la dificultad de su fabricación a gran escala, las altas temperaturas necesarias para su buen funcionamiento y la durabilidad del electrolito sólido siguen siendo obstáculos que retrasan su implementación.

Un grupo de científicos está trabajando en lo que podría ser una solución para el último de estos inconvenientes, con un nuevo electrolito sólido que ofrece varias ventajas importantes.

Una nueva composición en un nuevo electrolito sólido

Investigadores de la Universidad de Waterloo, Canadá que son miembros del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR), con sede en el omnipresente Laboratorio Nacional de Argonne, han creado un electrolito compuesto de litio, escandio, indio y cloro que favorece la conducción de los iones de litio pero entorpece el de los electrones. Esta combinación permite crear una batería de estado sólido que funciona sin perder una capacidad significativa durante más de cien ciclos a alto voltaje (más de 4 voltios) y miles de ciclos a voltaje intermedio.

Las baterías de estado sólido actuales se centran en los sulfuros, que se oxidan y degradan por encima de los 2,5 voltios. Por ello, requieren la incorporación de un revestimiento aislante alrededor del cátodo, que funciona por encima de los 4 voltios, lo que perjudica el flujo de los electrones e iones de litio del electrolito al cátodo.

Iones más rápidos y electrones más lentos que mejoran su durabilidad

La decisión del grupo de científicos de cambiar la mitad del indio por escandio, basándose en trabajos anteriores, resultó ser un éxito en términos de menor conductividad electrónica y mayor conductividad iónica. «Los electrolitos de cloruro se han vuelto más atractivos porque se oxidan solo a altos voltajes y algunos son químicamente compatibles con los mejores cátodos que tenemos», dijo Linda Nazar, profesora de la Universidad de Waterloo y miembro del JCESR.

Una de las claves para la conductividad iónica se encuentra en la estructura tridimensional en espinela del material. Los investigadores tuvieron que equilibrar dos necesidades en competencia: cargar la espinela con la mayor cantidad de iones cargados, pero también dejar sitios abiertos para que los iones se movieran. Según Nazar, la situación ideal sería que la mitad de los huecos en la estructura de espinela estuvieran ocupados con litio mientras que la otra mitad permanezcan vacíos, pero explicó que crear esta situación es difícil de diseñar.

Además de la buena conductividad iónica del litio, necesitaban asegurarse de que los electrones no pudieran moverse fácilmente a través del electrolito para desencadenar su descomposición a ato voltaje.

Aún no está claro por qué la conductividad es más baja que la de muchos electrolitos de cloruro creados anteriormente, pero este avance ayuda a crear un camino claro entre el cátodo y el electrolito, lo que permite un rendimiento estable incluso con una mayor cantidad de materiales activos en el cátodo.