Electrolitos poliméricos de baterías na caza de aniones

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

• Ingeniaritza

Cando en 1991 Sony lanzou por primeira vez baterías de ion litio (VOL), abríronse as portas á revolución dos dispositivos portátiles. Grazas a estas baterías estendéronse tanto os teléfonos móbiles, tabletas e computadores portátiles que utilizamos actualmente. Con todo, a medida que as necesidades enerxéticas aumenten, é necesario dar un paso máis.

Si no ánodo destas baterías utilízase o metal litio (Li0) en lugar de grafito, a súa capacidade multiplicaríase por dez. O litio metal, con todo, é moi reactivo e ten problemas combinándoos con electrolitos líquidos inflamables e volátiles. En definitiva, é máis fácil que se produzan reaccións entre un líquido e un sólido que entre dous sólidos. Por iso, cando se utilizan electrólitos líquidos xunto co electrodo Li0, a probabilidade de reacción lateral é maior.

Una solución é a utilización de electrolitos poliméricos sólidos. Neste sentido, María Martínez e as súas coautoras do CIC Energigune publicaron recentemente na revista Advanced Functional Materials, que a adición dun pouco de sal LiFSI de litio en torno ao 2%) mellora notablemente as características do electrolito polímero PSTFSI/PEO.

Electrolito, ponte entre electrodos

Nos electrólitos líquidos ou electrolitos convencionais, os simples cationes e aniones teñen una gran mobilidade, o que pode provocar a polarización do electrolito. É dicir, achegar os cationes ao electrodo negativo e apilar os aniones ao redor do electrodo positivo, o que permite crear zonas de carga parcial positiva e negativa dentro do electrolito. Nestes casos créanse as saídas denominadas dendritas ao ánodo de litio metálico. Se as dendritas atravesan o electrolito e chegan até o outro electrodo, prodúcense curtocircuítos que provocan perigo e perda de enerxía.

Paira solucionar este problema, actualmente utilízanse electrolitos con polímeros sólidos que dificultan a creación de dendritas. En calquera caso, tal e como se menciona na publicación dos investigadores do CIC Energigune, é necesario que exista algo que impida a mobilidade dos aniones do electrolito. Así, nos electrolitos poliméricos que só son condutores de iones de litio (SLIC), o anión únese covalentemente a un tronco de polímero que dificulta a mobilidade. En consecuencia, nestes casos evítase a polarización do electrolito e só o catión de litio (Li+) pode desprazarse cara ao electrodo.

Electrolito polímero LiPSTFSI/PEO

Realizáronse numerosos estudos sobre o electrolito polímero sólido LiPSTFSI/PEO. En xeral, pódese dicir que o polietileno é un polígono de litio do tronco de poliestireno (PS) estendido en óxido (PEO). Este electrolito, con todo, presenta una baixa conductividad iónica. Isto débese a que o PEO e o PS asociado ao anión non son intrinsecamente interactivos, o que dificulta a disolución do sal LiPSTFSI.

Ademais, entre o electrodo Li0 e o electrolito créase una superficie moi resistente ao litio. Tendo en conta que a función do electrolito das baterías de litio é transportar os cationes Li+ do electrodo ao electrodo, ambas as características reducen a eficiencia das baterías.

O equipo de investigación puido comprobar que cando a leste electrolito polímero engádeselle un pouco de sal LiFSI (só un 2%), a conductividad dos iones Li+ no interior do electrolito aumenta considerablemente. De feito, o RMN en estado sólido (SSNMR) e a espectroscopia Raman puideron comprobar que a adición deste sal facilita a interacción entre o óxido de polietileno e o poliestireno do tronco do electrolito e a disolución do LiPSTFSI. Nesta situación, a conductividad iónica débese principalmente aos cationes de litio, xa que o anión queda atrapado xa que está unido ao poliestireno e interacciona co polietileno.

Tamén se comprobou que a adición deste sal reduce a resistencia ao litio na interfase electrodo/electrolito. Grazas aos cálculos teóricos púidose comprobar que o sal LiFSI redúcese ao chegar á superficie do electrodo de litio metálico e xérase LiF. A presenza de LiF na superficie do metal litio facilita notablemente o movemento do catión de litio.

E usando en batería…

Experimentalmente puideron demostrar que con leste electrolito de polímero tardaríase o dobre de tempo en crear dendritas no ánodo de litio metal e en producirse un curtocircuíto na batería.

Basicamente, ao utilizar leste electrolito polímero sólido nunha batería con cátodo LiFePO4, obtense una maior eficiencia da batería que con outros electrolitos poliméricos. É máis, leste polímero electrolito pódese utilizar tamén paira outros cátodos de maior tensión.

Ademais, o realizado polo equipo de investigación de CIC EnergiGUNE (é dicir, dopar o electrolito polímero cunha pequena cantidade de sal) é máis sinxelo e económico que sintetizar outros electrolitos poliméricos.

 

Bibliografía:

Martínez M., Sánchez E., Qiao L., Zhang E. 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)