Investigadores de la Universidad de Tokio y el Instituto de Tecnología de Nagoya han descubierto un nuevo mecanismo para estabilizar el electrodo de metal de litio y el electrolito en las baterías de metal de litio.
En un artículo publicado en la revista Nature Energy, los científicos explican que el nuevo mecanismo, que no depende de la enfoque cinético tradicional, tiene el potencial de mejorar en gran medida la densidad de energía de las baterías, que es la cantidad de energía almacenada en relación con su peso o volumen.
Según Atsuo Yamada, uno de los autores del estudio, las baterías de metal de litio son una tecnología prometedora que podría satisfacer las demandas de sistemas de almacenamiento de alta densidad de energía. Sin embargo, debido a la descomposición incesante del electrolito en estas baterías, su eficiencia Coulombic es baja.
La eficiencia de Coulombic, también llamada eficiencia actual, describe la eficiencia por la cual los electrones se transfieren dentro de la batería. Esto significa que una batería con alta eficiencia Coulombic tiene un ciclo de vida más largo.
“Este es el primer artículo que propone el potencial de electrodo y las características estructurales relacionadas como métricas para diseñar electrolitos de baterías de metal de litio, que se extraen mediante la introducción de la ciencia de datos combinada con cálculos computacionales. Según nuestros hallazgos, se han desarrollado fácilmente varios electrolitos que permiten una alta eficiencia de Coulombic”, dijo Yamada.
El investigador señaló que en las baterías de iones de litio, el ión de litio se mueve del electrodo positivo al electrodo negativo a través del electrolito durante la carga y regresa cuando se descarga. Al introducir electrodos de alta densidad de energía, se puede mejorar la densidad de energía de la batería. En este contexto, se han realizado muchos estudios durante las últimas décadas para cambiar el electrodo negativo de grafito a metal de litio. Sin embargo, el litio metálico tiene una alta reactividad, lo que reduce el electrolito en su superficie. Debido a esto, el electrodo de metal de litio muestra una baja eficiencia de Coulombic.
Para superar este problema, los científicos han desarrollado electrolitos funcionales y aditivos de electrolitos que forman una película protectora de la superficie. Esta interfase de electrolito sólido tiene un impacto en la seguridad y eficiencia de las baterías de litio. La película protectora de la superficie evita el contacto directo entre el electrolito y el electrodo de metal de litio, lo que ralentiza cinéticamente la reducción del electrolito. Sin embargo, hasta ahora, los científicos no habían entendido completamente la correlación entre la interfase del electrolito sólido y la eficiencia de Coulombic.
Lo que se sabe es que se mejora la estabilidad de la interfase del electrolito sólido, entonces es posible retardar la descomposición del electrolito y se incrementa la eficiencia Coulombic de la batería. Pero incluso con tecnologías avanzadas, a los científicos les resulta difícil analizar directamente la química de la interfase del electrolito sólido.
Una estrategia rara
Sin embargo, el equipo de investigación japonés determinó que si podían aumentar el potencial de oxidación-reducción del metal de litio en un sistema de electrolito específico, podrían disminuir la fuerza impulsora termodinámica para reducir el electrolito y, por lo tanto, lograr una mayor eficiencia de Coulombic. Esta estrategia rara vez se ha aplicado en el desarrollo de baterías con metal de litio.
“El potencial termodinámico de oxidación-reducción del metal de litio, que varía significativamente según los electrolitos, es un factor simple pero pasado por alto que influye en el rendimiento de la batería de metal de litio”, dijo Yamada.
Él y sus colegas, por lo tanto, estudiaron el potencial de oxidación-reducción del litio metálico en 74 tipos de electrolitos. También introdujeron un compuesto llamado ferroceno en todos los electrolitos como estándar interno recomendado por la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) para potenciales de electrodo.
Tras los análisis de sus pruebas, el equipo demostró que existe una correlación entre el potencial de oxidación-reducción del litio metálico y la eficiencia de Coulombic. De hecho, obtuvieron una alta eficiencia de Coulombic con el potencial de oxidación-reducción aumentado del metal de litio.
De cara al trabajo futuro, los investigadores dicen que quieren revelar el mecanismo racional detrás del cambio potencial de oxidación-reducción con más detalle.
“Diseñaremos el electrolito garantizando una eficiencia Coulombic superior al 99.95%. La eficiencia de Coulombic del litio metálico es inferior al 99%, incluso con electrolitos avanzados. Sin embargo, se requiere al menos 99.95% para la comercialización de baterías a base de metal de litio”, dijo Yamada.
