Una nueva batería de litio metálico logra cargas en 15 minutos y reduce la degradación gracias a un separador revolucionario
Un equipo de investigadores ha desarrollado una nueva tecnología que podría ayudar a resolver dos de los grandes retos de las baterías de próxima generación: reducir los tiempos de carga y mejorar su durabilidad. La clave está en un componente que normalmente pasa bastante desapercibido.
Las baterías de los coches eléctricos han evolucionado de forma evidente durante los últimos años. Las mejoras en densidad energética y volumétrica, permiten ofrecer cada vez más autonomía, en menos peso, ya demás con potencias de carga también cada vez más elevadas. Pero todavía existe margen de mejora, especialmente en las tecnologías que aspiran a sustituir a las actuales baterías de iones de litio.
Una de las alternativas más prometedoras son las baterías de litio metálico, capaces de alcanzar densidades energéticas superiores a las convencionales. Esto permitiría fabricar coches eléctricos con más autonomía sin necesidad de aumentar el tamaño o el peso de sus baterías. El problema es que esta tecnología también presenta importantes dificultades técnicas, especialmente cuando se intenta acelerar la recarga.
Ahora, un equipo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea del Sur (KAIST), dirigido por los profesores Dong Ki Yoon y Hye Ryung Byon, ha desarrollado un nuevo separador que podría ayudar a superar algunas de estas limitaciones. Los resultados, publicados en la revista científica ACS Nano, muestran avances tanto en la velocidad de carga como en la estabilidad de las celdas.
Un nuevo separador que permite cargar más rápido y reduce la degradación
Para entender la importancia del descubrimiento hay que fijarse en uno de los principales problemas de las baterías de litio metálico: la formación de dendritas. Se trata de pequeñas estructuras de litio que pueden crecer sobre la superficie del electrodo durante la recarga, especialmente cuando se utilizan corrientes elevadas.
Estas estructuras pueden llegar a atravesar el separador que mantiene aislados los electrodos, provocando cortocircuitos internos y aumentando el riesgo de incendio. Además, su formación perjudica la estabilidad de la batería y puede acelerar su degradación, lo que ha dificultado hasta ahora la llegada de esta tecnología a los coches eléctricos comerciales.
La solución propuesta por los investigadores coreanos consiste en utilizar un separador poroso fabricado con polímeros de cristal líquido, un material cuya estructura molecular puede organizarse de manera controlada. También han incorporado cadenas de polietilenglicol (PEG), que facilitan el movimiento de los iones de litio por el interior de la batería.
Lo interesante es que los científicos han descubierto que la orientación de estas moléculas tiene una influencia directa sobre el comportamiento de la celda. Cuando el material se organiza verticalmente, los iones encuentran caminos mucho más directos para desplazarse entre los electrodos, en lugar de tener que recorrer trayectorias más largas y complicadas.
En las pruebas realizadas, esta disposición permitió reducir aproximadamente 2,5 veces la tortuosidad de los recorridos de los iones respecto a una configuración horizontal. Dicho de una forma más sencilla, es como sustituir una carretera llena de curvas por una autovía prácticamente recta. Los iones pueden desplazarse más rápidamente y de manera uniforme, reduciendo al mismo tiempo la formación de dendritas.
Una batería que conserva el 94% de su capacidad después de 100 cargas rápidas
Los investigadores no se limitaron a estudiar el comportamiento del material por separado, sino que lo incorporaron a una batería funcional de litio metálico para comprobar sus prestaciones. Y los resultados han sido especialmente interesantes por la combinación de velocidad de carga y conservación de capacidad.
La celda fue sometida a 100 ciclos de carga y descarga a una tasa de 4C, una intensidad que, en términos teóricos, equivale a completar una recarga en apenas 15 minutos. Después de estas pruebas, la batería todavía conservaba el 94% de su capacidad inicial.
Esto supone una pérdida de capacidad del 6% después de 100 ciclos, una cifra que demuestra el potencial del nuevo separador para trabajar con corrientes elevadas. No obstante, todavía queda camino por recorrer antes de considerar esta tecnología una alternativa comercial, especialmente en lo relacionado con la durabilidad a largo plazo.
Para ponerlo en contexto, los fabricantes de coches eléctricos necesitan baterías capaces de soportar muchos cientos o miles de ciclos durante su vida útil. Además, las condiciones de funcionamiento de una batería instalada en un automóvil son bastante más exigentes que las de una celda utilizada en un laboratorio.
Aun así, el avance resulta interesante porque aborda dos problemas al mismo tiempo. Por un lado, facilita el movimiento de los iones, algo fundamental para aumentar la velocidad de carga. Por otro, contribuye a reducir la aparición de dendritas, uno de los principales obstáculos para mejorar la seguridad y la vida útil de las baterías de litio metálico.
Los responsables del proyecto consideran que controlar la orientación molecular de los materiales puede convertirse en una herramienta importante para desarrollar baterías con mayor densidad energética, más autonomía y tiempos de carga inferiores.
El siguiente paso será comprobar si estos resultados pueden reproducirse en celdas de mayor tamaño y durante un número mucho más elevado de ciclos. Porque conseguir una batería que se cargue en 15 minutos es importante, pero conseguir que siga funcionando correctamente después de cientos de miles de kilómetros es lo que realmente marcará la diferencia.
