Las baterías podrían durar mucho más gracias a este nuevo aditivo para el grafito
Un equipo de investigadores ha encontrado una nueva forma de reducir el desgaste de las baterías mediante un compuesto que actúa sobre uno de sus elementos más utilizados; los primeros resultados apuntan a una mejora importante de la durabilidad; el método todavía necesita más pruebas antes de poder llegar a las baterías comerciales.
Uno de los grandes retos de las baterías actuales no pasa únicamente por aumentar su capacidad, sino por conseguir que resistan el paso de los ciclos y los años. Un grupo de investigadores japoneses ha encontrado ahora una vía para mejorar este aspecto utilizando un nuevo aditivo que actúa sobre la superficie del grafito, uno de los materiales más utilizados en los electrodos de las baterías.
El equipo del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ha desarrollado un compuesto denominado imina de pentafluorofenil y tiofeno, conocido como FPTI. Su función es mejorar la capa protectora que se forma sobre el grafito durante los primeros ciclos de carga y que resulta fundamental para controlar el envejecimiento de la batería.
El resultado más llamativo aparece después de 1.000 ciclos. Las celdas de prueba tratadas con una concentración de 4 miligramos de FPTI por mililitro consiguieron conservar el 95,6% de su capacidad, mientras que las celdas sin el aditivo se quedaron en el 62,7%. Con una concentración inferior, de 2 miligramos por mililitro, la capacidad conservada fue del 89,4%.
La clave está en una zona de la batería que normalmente pasa desapercibida. Durante las primeras cargas se forma sobre el grafito una capa conocida como interfase de electrolito sólido, o SEI. Esta película permite el movimiento de los iones de litio, pero al mismo tiempo limita determinadas reacciones químicas que pueden acelerar el deterioro de la celda.
Cuando esta capa pierde estabilidad, aumenta la resistencia interna y se consume parte del litio activo de la batería. El resultado es una pérdida progresiva de capacidad. Lo que han buscado los investigadores japoneses es precisamente conseguir que esa protección sea más estable desde el principio.
Un aditivo que crea una capa protectora más resistente
El FPTI está diseñado para reaccionar durante las primeras etapas de funcionamiento antes que otros componentes del electrolito. De esta forma contribuye a crear una capa protectora más estable sobre el grafito. El análisis realizado por el equipo mostró además una elevada presencia de fluoruro de litio en esta capa, mientras que otros componentes procedentes del azufre y del grupo imina del compuesto también participan en su formación.
El efecto se puede medir directamente en la resistencia interna de la celda. Con la concentración más elevada de FPTI, la resistencia de la capa protectora pasó de 7,6 ohmios en la celda de referencia a solamente 2,2 ohmios. La resistencia asociada a la transferencia de carga también bajó de 41,8 a 19,8 ohmios, mientras que el movimiento de los iones de litio mejoró.
Pero es en la prueba de larga duración donde aparece la diferencia más importante. Tras 1.000 ciclos, la celda sin FPTI conservaba el 62,7% de su capacidad de referencia, mientras que las tratadas con 2 y 4 miligramos por mililitro mantenían el 89,4% y el 95,6%, respectivamente. Además, las celdas sin el aditivo comenzaron a mostrar una pérdida de capacidad especialmente importante a partir de unos 350 ciclos.
Los investigadores quisieron comprobar después si el mismo principio podía trasladarse a una batería completa, utilizando un electrodo positivo de NMC811 y uno negativo de grafito. Y aquí apareció una limitación importante: añadir directamente FPTI al electrolito de toda la batería no funcionó bien, ya que aumentaba la resistencia en el electrodo positivo y perjudicaba el rendimiento.
La solución fue utilizar el compuesto únicamente para tratar previamente el electrodo de grafito. Primero se formó la capa protectora mejorada sobre el grafito mediante el FPTI y después se montó la batería completa utilizando el electrolito convencional, sin mantener el aditivo en toda la celda.
El resultado también fue significativo. La batería completa que utilizaba el grafito tratado con 4 miligramos por mililitro de FPTI alcanzó una densidad energética de aproximadamente 233 Wh/kg, frente a unos 192 Wh/kg con el tratamiento de 2 miligramos por mililitro y alrededor de 130 Wh/kg en la configuración de referencia.
La investigación demuestra así que no siempre es necesario sustituir el grafito por un material completamente nuevo para mejorar la duración de una batería. En este caso, el objetivo consiste en controlar mejor lo que ocurre en su superficie y evitar que las reacciones secundarias vayan deteriorando el electrodo con cada ciclo.
Eso sí, todavía queda bastante camino antes de pensar en su llegada a los coches eléctricos. El resultado del 95,6% se ha obtenido principalmente en celdas de prueba de grafito y litio, mientras que la prueba con una batería completa se ha realizado mediante un tratamiento previo del electrodo negativo. Los propios investigadores señalan que serán necesarias pruebas con celdas de mayor tamaño y en condiciones de funcionamiento más cercanas a las comerciales.
La importancia del trabajo está, por tanto, más en el camino que abre que en una aplicación inmediata. Si esta estrategia consigue funcionar a escala industrial, podría permitir mejorar la duración de las baterías basadas en materiales ya conocidos sin necesidad de cambiar por completo su composición. Y eso podría tener interés tanto para los coches eléctricos como para otros sistemas de almacenamiento que necesitan soportar cientos o miles de ciclos sin perder demasiada capacidad.
