Electrolitos poliméricos de baterías en la caza de aniones

2020/05/27 Oier Lakuntza - CIC energiGUNE | Xabier Judez - CIC ENERGIGUNE | María Martínez - CIC ENERGIGUNE Iturria: Elhuyar aldizkaria

¿Qué pasaría si una batería sólo pudiera almacenar parte de la energía utilizada para cargar? ¿O si sólo una pequeña parte de la energía que guarda pudiera pasar al dispositivo móvil? Las reacciones laterales en el interior de la batería tienen mucho que ver en ello, y encontrar un electrolito polímero adecuado puede ayudar a mejorar la eficiencia de la batería.

La utilización de electrolitos poliméricos permite la fabricación de baterías aptas para coches eléctricos. Ed. Mariordo/Wikipedia

Cuando en 1991 Sony lanzó por primera vez baterías de ion litio (VOL), se abrieron las puertas a la revolución de los dispositivos portátiles. Gracias a estas baterías se han extendido tanto los teléfonos móviles, tabletas y ordenadores portátiles que utilizamos actualmente. Sin embargo, a medida que las necesidades energéticas aumenten, es necesario dar un paso más.

Si en el ánodo de estas baterías se utiliza el metal litio (Li0) en lugar de grafito, su capacidad se multiplicaría por diez. El litio metal, sin embargo, es muy reactivo y tiene problemas combinándolos con electrolitos líquidos inflamables y volátiles. En definitiva, es más fácil que se produzcan reacciones entre un líquido y un sólido que entre dos sólidos. Por ello, cuando se utilizan electrólitos líquidos junto con el electrodo Li0, la probabilidad de reacción lateral es mayor.

Una solución es la utilización de electrolitos poliméricos sólidos. En este sentido, María Martínez y sus coautoras del CIC Energigune han publicado recientemente en la revista Advanced Functional Materials, que la adición de un poco de sal LiFSI de litio en torno al 2%) mejora notablemente las características del electrolito polímero PSTFSI/PEO.

Electrolito, puente entre electrodos

Figura : Evolución de una sal de electrolito con aniones y cationes móviles (DLIC) y anión unido a un polímero (SLIC). En el segundo caso, los aniones quedan atrapados y sólo Li+ se desplaza al electrodo, evitando la polarización del electrolito. Ed. María Martínez y autores

En los electrólitos líquidos o electrolitos convencionales, los simples cationes y aniones tienen una gran movilidad, lo que puede provocar la polarización del electrolito. Es decir, acercar los cationes al electrodo negativo y apilar los aniones alrededor del electrodo positivo, lo que permite crear zonas de carga parcial positiva y negativa dentro del electrolito. En estos casos se crean las salidas denominadas dendritas al ánodo de litio metálico. Si las dendritas atraviesan el electrolito y llegan hasta el otro electrodo, se producen cortocircuitos que provocan peligro y pérdida de energía.

Para solucionar este problema, actualmente se utilizan electrolitos con polímeros sólidos que dificultan la creación de dendritas. En cualquier caso, tal y como se menciona en la publicación de los investigadores del CIC Energigune, es necesario que exista algo que impida la movilidad de los aniones del electrolito. Así, en los electrolitos poliméricos que sólo son conductores de iones de litio (SLIC), el anión se une covalentemente a un tronco de polímero que dificulta la movilidad. En consecuencia, en estos casos se evita la polarización del electrolito y sólo el catión de litio (Li+) puede desplazarse hacia el electrodo.

Electrolito polímero LiPSTFSI/PEO

Se han realizado numerosos estudios sobre el electrolito polímero sólido LiPSTFSI/PEO. En general, se puede decir que el polietileno es un polígono de litio del tronco de poliestireno (PS) extendido en óxido (PEO). Este electrolito, sin embargo, presenta una baja conductividad iónica. Esto se debe a que el PEO y el PS asociado al anión no son intrínsecamente interactivos, lo que dificulta la disolución de la sal LiPSTFSI.

Además, entre el electrodo Li0 y el electrolito se crea una superficie muy resistente al litio. Teniendo en cuenta que la función del electrolito de las baterías de litio es transportar los cationes Li+ del electrodo al electrodo, ambas características reducen la eficiencia de las baterías.

El equipo de investigación ha podido comprobar que cuando a este electrolito polímero se le añade un poco de sal LiFSI (sólo un 2%), la conductividad de los iones Li+ en el interior del electrolito aumenta considerablemente. De hecho, el RMN en estado sólido (SSNMR) y la espectroscopia Raman han podido comprobar que la adición de esta sal facilita la interacción entre el óxido de polietileno y el poliestireno del tronco del electrolito y la disolución del LiPSTFSI. En esta situación, la conductividad iónica se debe principalmente a los cationes de litio, ya que el anión queda atrapado ya que está unido al poliestireno y interacciona con el polietileno.

Figura : Si no se añade sal LiFSI, el polímero asociado al anión (PS) no interacciona con el otro polímero (PEO). Al añadir un poco de sal, sin embargo, coloca el Li+ entre los dos polímeros y facilita una interacción. Ed. María Martínez y autores

También se ha comprobado que la adición de esta sal reduce la resistencia al litio en la interfase electrodo/electrolito. Gracias a los cálculos teóricos se ha podido comprobar que la sal LiFSI se reduce al llegar a la superficie del electrodo de litio metálico y se genera LiF. La presencia de LiF en la superficie del metal litio facilita notablemente el movimiento del catión de litio.

Y usando en batería…

Figura : Evolución de la capacidad del electrolito polímero investigado y de un electrolito tipo DLIC, ciclo a ciclo. A pesar de que el DLICs tiene una cierta capacidad, el SLICs dopado con sales de litio consigue una eficacia significativamente mayor. Ed. María Martínez y autores

Experimentalmente han podido demostrar que con este electrolito de polímero se tardaría el doble de tiempo en crear dendritas en el ánodo de litio metal y en producirse un cortocircuito en la batería.

Básicamente, al utilizar este electrolito polímero sólido en una batería con cátodo LiFePO4, se obtiene una mayor eficiencia de la batería que con otros electrolitos poliméricos. Es más, este polímero electrolito se puede utilizar también para otros cátodos de mayor tensión.

Además, lo realizado por el equipo de investigación de CIC EnergiGUNE (es decir, dopar el electrolito polímero con una pequeña cantidad de sal) es más sencillo y económico que sintetizar otros electrolitos poliméricos.

 

Bibliografía:

Martínez M., Sánchez E., Qiao L., Zhang Y. Judez X, A. Santiago, Aldalur I, D. Carrasco, Ed. Zhu, Forshit M., Armand M., Zhang H.; Unprecedented Improvement of Single Li-Ion Conductive Solid Polymer Electrolyte Through Salt Additive; Adv. Fun. Mat. (2020)

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