Aquí están las moléculas de electrolito encurtidas (PF 2 OSiMe 3 ) unión a los centros de reacción en la superficie del cátodo. Para las moléculas de bola y palo unidas a la superficie del cátodo, el verde oliva indica fósforo (P); púrpura, flúor (F); rojo, oxígeno (O); y estructura por encima del oxígeno, SiMe3. (Imagen del Laboratorio Nacional Argonne / Juan C. García
Los investigadores de baterías del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto una importante reacción química que se asemeja al método utilizado para hacer encurtidos. La reacción proporciona información clave sobre el comportamiento de un aditivo electrolítico común que se utiliza para mejorar el rendimiento.
El sistema de almacenamiento de energía preferido para los vehículos eléctricos es la batería de iones de litio. En todas las baterías de vehículos eléctricos, cuanta más energía almacena, cuanto más largo sea el campo de prácticas. En la actualidad, sin embargo, el cátodo limita la capacidad máxima de almacenamiento de energía de la batería de iones de litio. Superar esa limitación requiere materiales de cátodo que tengan alta capacidad y operen a alto voltaje. Si bien se han identificado dichos materiales, su uso a largo plazo sigue siendo problemático, porque degradan el electrolito líquido en contacto con el cátodo energizado durante el ciclo de carga-descarga de la celda de iones de litio.
Un medio bien conocido para resolver ese problema es insertar un aditivo que mejore el rendimiento en el electrolito líquido. Este aditivo modifica la superficie del cátodo formando una capa protectora que detiene la descomposición del electrolito. Uno de esos aditivos comunes, demostrado ser eficaz, es tris (trimetilsilil) fosfito, mejor conocido como TMSPi. El mecanismo detrás de su efecto beneficioso había sido un misterio, hasta ahora.
El nuevo resultado sorprendente es que la propia molécula de TMSPi no participa directamente en la protección del cátodo. El componente activo es una molécula diferente, PF 2 OSiMe 3 , que se deriva químicamente de TMSPi y se representa estructuralmente en la imagen de la izquierda.
Este compuesto, uno entre muchos de estos productos, se forma lentamente a medida que la sal de litio del electrolito reacciona con TMSPi. Uno de los autores de Argonne, Daniel Abraham, científico sénior de materiales, comparó el proceso "con la fermentación anaeróbica de pepinos en salmuera, lo que nos da deliciosos encurtidos ".
En su investigación, Abraham y sus colegas demostraron que este "decapado" ofrece varios efectos beneficiosos. El producto de reacción disminuye el aumento de la resistencia eléctrica que ocurre normalmente en la celda de la batería durante los ciclos de carga y descarga. Una desaceleración indeseable de los iones de litio que se mueven entre el cátodo y el ánodo y un cambio irreversible en la composición del cátodo desencadenan el aumento de la resistencia; la disminución del aumento de la resistencia permite una carga y descarga rápidas de la celda de iones de litio.
El producto TMPSi también reduce la pérdida dañina del metal de transición (típicamente cobalto o manganeso) en el material del cátodo. Después de escapar del cátodo, los iones de metales de transición pasan a través del electrolito al ánodo, degradando su rendimiento durante ciclos prolongados. El producto TMPSi no solo limita la pérdida de metales de transición, sino que también reduce la aparición de corrientes parásitas que degradan el proceso de carga-descarga.
"La clave del éxito de este estudio fue la identificación del origen de estos efectos beneficiosos, "añadió Abraham. Explicó que los estudios computacionales de su equipo revelaron que el producto de reacción PF 2 OSiMe 3 se une fuertemente a los centros de reacción en la superficie del cátodo sin causar la eliminación perjudicial de oxígeno de la superficie. Esta molécula unida a la superficie puede reaccionar más con el electrolito, transformándose en una molécula de unión aún más fuerte que cubre permanentemente los centros de reacción en el cátodo, estabilizar la interfaz entre el electrolito líquido y el electrodo sólido. "Como resultado, "Abraham informa, "El rendimiento de la batería en realidad mejora a medida que envejece el aditivo de electrolito TMPSi".
Abraham también informa que este estudio de investigación en etapa inicial tiene una aplicación práctica importante. "Ahora que comprendemos mejor el mecanismo de la acción protectora del cátodo por parte del fosfito, podemos ser más sistemáticos en la búsqueda de nuevas formas de lograr y mejorar este decapado del aditivo electrolítico ".
Un artículo publicado recientemente en The Revista de química física , titulado "El 'decapado' químico de los aditivos de fosfato mitiga el aumento de impedancia en las baterías de iones de litio, "describe el trabajo.
