Electrolitos poliméricos: ¿la revolución detrás de las baterías de estado sólido?

Las baterías de estado sólido son el futuro, la respuesta que la industria automotriz está buscando para impulsar de manera definitiva la transición hacia el coche eléctrico. Pero aún quedan algunos inconvenientes por resolver.

El mercado de los automóviles, como el de cualquier otro sector relacionado con el almacenaje de energía, está dominado por las baterías de iones de litio. Sin embargo, estas no son más que un paso intermedio en un campo que necesita mejorar en diferentes aspectos.

La tecnología elegida es la batería de estado sólido, pues otras como las de sodio no son más que alternativas que convivirán con las de litio, ya que ofrecen ventajas respecto a estas, pero también inconvenientes.

Al menos de momento, las baterías de estado sólido son las únicas que presentan ventajas que permitirán, en el futuro, llevar el coche eléctrico a otro nivel de prestaciones y seguridad.

Baterías de estado sólido

En esencia, una batería de estado sólido se diferencia de una convencional en que el electrolito, es decir, el componente que permite la transferencia de electrones entre el cátodo y el ánodo, es sólido y no líquido. Esto permite varias ventajas, pero también genera algunos inconvenientes que, de momento, no han podido ser superados.

El principal es la búsqueda de un electrolito estable sin tendencia a la expansión y que, al mismo tiempo, permita una transición fluida de electrones entre los cátodos.

Los electrolitos poliméricos

Para lograr los niveles de densidad energética necesarios en las baterías de los automóviles, es importante seleccionar la composición química de la batería adecuada.

Es necesario un material activo de alto voltaje y un electrodo negativo de alta capacidad específica, como pueden ser el litio metálico o el silicio. Pero el desafío real está en diseñar un electrolito que sea compatible con ambos electrodos.

Se han realizado diferentes investigaciones con electrolitos cerámicos, pero los poliméricos son los que están demostrando tener mayor potencial para llevar a las baterías de estado sólido al siguiente nivel.

Un electrolito polimérico es un tipo de electrolito sólido formado por una sal de litio y una matriz elástica de polímero. El polímero es una macromolécula que se obtiene por la unión de una o más moléculas pequeñas repetidas a lo largo de una cadena.

La unidad que se repite en el polímero es el monómero y la reacción por la que se forman es la reacción de polimerización.

Ventajas e inconvenientes de los electrolitos poliméricos

Los electrolitos poliméricos sólidos tienen varias ventajas como elementos integrantes de la química de las baterías.

En primer lugar, su capacidad de ser moldeados fácilmente permite la producción de baterías en formas y geometrías que serían inaccesibles para materiales convencionales.

En segundo lugar, su facilidad de procesado inherente a los materiales plásticos también los hace una opción atractiva para su uso en baterías.

Además, estos electrolitos son menos reactivos en contacto con el litio metálico en comparación con los electrolitos líquidos. Esto permite el uso de litio metálico como un ánodo de alta densidad energética, ya que el litio metálico es extremadamente liviano y tiene una alta capacidad específica.

La fabricación de baterías con electrolitos poliméricos sólidos también tiende a ser más económica que con otros materiales, lo que las hace una opción viable para aplicaciones comerciales.

En conjunto, estas ventajas hacen que los electrolitos poliméricos sólidos sean una solución prometedora para superar las limitaciones tanto de seguridad como de densidad energética en las baterías de ion litio.

Inconvenientes de los electrolitos poliméricos

A pesar de las ventajas de los electrolitos poliméricos sólidos, aún existen problemas fundamentales que deben ser resueltos antes de que estos materiales puedan alcanzar su máximo potencial.

Uno de los principales desafíos es que estos materiales tienen una baja eficiencia de carga durante el ciclo de carga y descarga. Esto significa que una cantidad significativa de energía se pierde durante el proceso de carga y descarga, lo que limita su rendimiento general.

Además, la formación incontrolada de dendritas de litio a temperatura ambiente es otro problema importante que afecta a los electrolitos poliméricos sólidos. Esta puede resultar peligrosa en la práctica, ya que puede generar tiempos de vida cortos, fallos abruptos y problemas de seguridad en las baterías. Todo esto hace que sea difícil comercializar estas baterías.

A pesar de estos desafíos, los investigadores están trabajando para encontrar soluciones a estos problemas. Se están explorando nuevos enfoques para mejorar la eficiencia de carga y descarga de los electrolitos poliméricos sólidos, así como para controlar la formación de dendritas de litio.

Con el tiempo, es posible que estos avances permitan la comercialización de baterías de iones de litio basadas en electrolitos poliméricos sólidos con mejor rendimiento y seguridad.

Tipos de electrolitos poliméricos

Existen varios polímeros que son considerados candidatos competitivos para ser utilizados como electrolitos, y las propiedades electroquímicas de estos materiales están relacionadas con sus propiedades térmicas.

Es por ello que se busca un polímero amorfo y flexible, con un alto peso molecular y grupos químicos polares. Históricamente, se han propuesto diversos polímeros para su uso en pilas, y muchos de ellos se utilizan comúnmente en nuestra vida cotidiana.

Uno de estos materiales es el poli(óxido de etileno – PEO), que es biocompatible y no tóxico. Su homólogo de bajo peso molecular se utiliza en aplicaciones de biomedicina.

Otro polímero es el poli(metacrilato de metilo – PMMA), un material duro y resistente a los arañazos que se utiliza en la fabricación de prótesis óseas y dentales, así como en diversos recubrimientos.

El policarbonato (PC) es otro material no tóxico que se utiliza en paneles, maquinaria industrial y escudos tecnológicos.

El poliacrilonitrilo (PAN) es un polímero de alta estabilidad térmica, resistencia y módulo de elasticidad, que se utiliza en la fabricación de fibras sintéticas conocidas como acrílicas.

El polietileno (PE), que ofrece una buena resistencia térmica y química, se utiliza en envases alimentarios, film estirable y tubos para cosméticos y productos farmacéuticos.

Por último, el fluoruro de polivinilideno (PVDF) es un material resistente a los productos químicos y a la temperatura, que se utiliza comúnmente en revestimientos de tanques químicos.

El polímero PEO

Dentro de los polímeros propuestos, el PEO es actualmente el material de referencia en este campo. Es compatible con el electrodo negativo de litio y ofrece buena conductividad a 70 °C. Sin embargo, se ha observado que el anión se mueve más rápidamente que el catión, lo que causa polarización durante el ciclo.

Además, las unidades de óxido de etileno tienden a oxidarse a alto voltaje, lo que lleva a una mala estabilidad de voltaje y limita su aplicación en contacto con materiales activos de alto voltaje. A pesar de esto, es el único polímero utilizado como matriz conductora de iones de litio en una batería comercial (tecnología desarrollada por BlueSolutions).

Polímeros PC y PAN

La matriz polimérica de PC y PAN mejora significativamente la conductividad de los iones de litio. Estos polímeros también ofrecen una alta estabilidad frente al voltaje, lo que permite su aplicación con materiales activos de alto voltaje.

Sin embargo, la inestabilidad frente al litio metálico limita su uso en contacto con el electrodo negativo y sugiere su uso exclusivamente en contacto con materiales de alto voltaje. Por lo tanto, se necesitaría proponer otra química polimérica como matriz electrolítica.

En general, los polímeros ofrecen una conductividad iónica elevada cuando disminuye la viscosidad. Esto implica que se deben mejorar las propiedades mecánicas para evitar cortocircuitos.

Queda claro, por tanto, que los polímeros cuentan con gran potencial para liderar el desarrollo de las baterías de estado sólido, pero también que todavía tienen que superar el desafío de los requisitos de la industria automotriz, especialmente en aplicaciones a temperatura ambiente.

No es de extrañar, en consecuencia, que los fabricantes de baterías y automóviles señalen el final de la presente década o el inicio de la siguiente como periodo más probable para la consolidación definitiva de las baterías de estado sólido al mercado automotriz.

Fuente | CIC energiGUNE