Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado baterías de iones de litio que funcionan bien en temperaturas heladas y abrasadoras, y al mismo tiempo contienen mucha energía.Los investigadores lograron esta hazaña desarrollando un electrolito que no sólo es versátil y robusto en un amplio rango de temperaturas, sino que también es compatible con un ánodo y cátodo de alta energía.
Las baterías resistentes a la temperaturase describen en un artículo publicado la semana del 4 de julio en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Estas baterías podrían permitir que los vehículos eléctricos en climas fríos viajen más distancias con una sola carga;También podrían reducir la necesidad de sistemas de refrigeración para evitar que los paquetes de baterías de los vehículos se sobrecalienten en climas cálidos, dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del estudio.
“Se necesita operación a alta temperatura en áreas donde la temperatura ambiente puede alcanzar los tres dígitos y las carreteras se calientan aún más.En los vehículos eléctricos, los paquetes de baterías suelen estar debajo del piso, cerca de estas carreteras calientes”, explicó Chen, quien también es miembro de la facultad del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego.“Además, las baterías se calientan simplemente por el paso de corriente durante el funcionamiento.Si las baterías no pueden tolerar este calentamiento a altas temperaturas, su rendimiento se degradará rápidamente”.
En las pruebas, las baterías de prueba de concepto retuvieron el 87,5% y el 115,9% de su capacidad energética a -40 y 50 C (-40 y 122 F), respectivamente.También tenían altas eficiencias Coulombic del 98,2% y 98,7% a estas temperaturas, respectivamente, lo que significa que las baterías pueden someterse a más ciclos de carga y descarga antes de dejar de funcionar.
Las baterías que Chen y sus colegas desarrollaron son tolerantes al frío y al calor gracias a su electrolito.Está hecho de una solución líquida de éter dibutílico mezclado con una sal de litio.Una característica especial del éter dibutílico es que sus moléculas se unen débilmente a los iones de litio.En otras palabras, las moléculas de electrolitos pueden liberar fácilmente los iones de litio mientras la batería está en funcionamiento.Los investigadores habían descubierto en un estudio anterior que esta débil interacción molecular mejora el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero.Además, el éter dibutílico puede soportar fácilmente el calor porque permanece líquido a altas temperaturas (tiene un punto de ebullición de 141 C o 286 F).
Estabilización de las químicas de litio-azufre
Lo que también tiene de especial este electrolito es que es compatible con una batería de litio-azufre, que es un tipo de batería recargable que tiene un ánodo de litio metálico y un cátodo de azufre.Las baterías de litio-azufre son una parte esencial de las tecnologías de baterías de próxima generación porque prometen mayores densidades de energía y menores costos.Pueden almacenar hasta dos veces más energía por kilogramo que las baterías de iones de litio actuales; esto podría duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin ningún aumento en el peso del paquete de baterías.Además, el azufre es más abundante y menos problemático de obtener que el cobalto utilizado en los cátodos de las baterías de iones de litio tradicionales.
Pero existen problemas con las baterías de litio-azufre.Tanto el cátodo como el ánodo son súper reactivos.Los cátodos de azufre son tan reactivos que se disuelven durante el funcionamiento con batería.Este problema empeora con las altas temperaturas.Y los ánodos de metal de litio son propensos a formar estructuras en forma de agujas llamadas dendritas que pueden perforar partes de la batería y provocar un cortocircuito.Como resultado, las baterías de litio-azufre sólo duran hasta decenas de ciclos.
"Si quieres una batería con alta densidad de energía, normalmente necesitas utilizar una química muy dura y complicada", dijo Chen.“Una energía alta significa que se están produciendo más reacciones, lo que significa menos estabilidad, más degradación.Hacer una batería de alta energía que sea estable es una tarea difícil en sí misma; intentar hacerlo en un amplio rango de temperaturas es aún más desafiante”.
El electrolito de éter dibutílico desarrollado por el equipo de UC San Diego previene estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas.Las baterías que probaron tenían una vida útil mucho más larga que una batería típica de litio-azufre."Nuestro electrolito ayuda a mejorar tanto el lado del cátodo como el del ánodo, al tiempo que proporciona una alta conductividad y estabilidad interfacial", dijo Chen.
El equipo también diseñó el cátodo de azufre para que fuera más estable injertándolo en un polímero.Esto evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
Los próximos pasos incluyen ampliar la química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas aún más altas y extender aún más el ciclo de vida.
Artículo: "Criterios de selección de solventes para baterías de litio-azufre resistentes a la temperatura".Los coautores incluyen a Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal y Ping Liu, todos en UC San Diego.
Este trabajo fue apoyado por una subvención de la Facultad de Carrera Temprana del Programa de Subvenciones para la Investigación de Tecnología Espacial de la NASA (ECF 80NSSC18K1512), la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de UC San Diego (MRSEC, subvención DMR-2011924) y la Oficina de Vehicle Technologies del Departamento de Energía de EE.UU. a través del Programa de Investigación de Materiales Avanzados para Baterías (Consorcio Battery500, contrato DE-EE0007764).Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) en UC San Diego, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (subvención ECCS-1542148).
Hora de publicación: 10-ago-2022