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

Que pasaría si una batería só puidese almacenar parte da enerxía utilizada paira cargar? Ou si só una pequena parte da enerxía que garda puidese pasar ao dispositivo móbil? As reaccións laterais no interior da batería teñen moito que ver niso, e atopar un electrolito polímero adecuado pode axudar a mellorar a eficiencia da batería.

A utilización de electrolitos poliméricos permite a fabricación de baterías aptas paira coches eléctricos. Ed. Mariordo/Wikipedia

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

Figura : Evolución dun sal de electrolito con aniones e cationes móbiles (DLIC) e anión unido a un polímero (SLIC). No segundo caso, os aniones quedan atrapados e só Li+ desprázase ao electrodo, evitando a polarización do electrolito. Ed. María Martínez e autores

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.

Figura : Se non se engade sal LiFSI, o polímero asociado ao anión (PS) non interacciona co outro polímero (PEO). Ao engadir un pouco de sal, con todo, coloca o Li+ entre os dous polímeros e facilita una interacción. Ed. María Martínez e autores

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…

Figura : Evolución da capacidade do electrolito polímero investigado e dun electrolito tipo DLIC, ciclo a ciclo. A pesar de que o DLICs ten una certa capacidade, o SLICs dopado con sales de litio consegue una eficacia significativamente maior. Ed. María Martínez e autores

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)

Gai honi buruzko eduki gehiago

Elhuyarrek garatutako teknologia