Un equipo de investigación de la Universidad Estatal de Florida y la Universidad de Cornell descubrió que las baterías fabricadas con componentes económicos y seguros pueden ofrecer entre tres y cuatro veces la potencia de las baterías fabricadas con la tecnología de iones de litio de última generación.

El trabajo de los investigadores se publica hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

A. Nijamudheen, investigador postdoctoral en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU, y Snehashis Choudhury, estudiante de doctorado en la Universidad de Cornell, junto con los miembros de la facultad de ambas instituciones se embarcaron en una ambiciosa investigación sobre qué obstaculiza el diseño actual de las baterías y cómo mejorarlo.

"Si se analiza el costo de las baterías a lo largo del tiempo, No es sorprendente ver que el vector apunta constantemente hacia arriba, "Dijo Choudhury." La adopción generalizada de tecnologías que requieren baterías demanda costos más bajos ".

Con la esperanza de reducir esos costos, Los investigadores abordaron algunos problemas específicos relacionados con los electrolitos, una parte fundamental de la construcción de una batería que promueve el movimiento de iones de un electrodo a otro.

Los equipos se propusieron comprender las vías químicas por las que los electrolitos se degradan en los electrodos de la batería. Los investigadores no solo identificaron los mecanismos de degradación de los electrolitos, también descubrieron múltiples estrategias para remediar el problema.

"Descubrimos que controlar las propiedades iónicas de las interfases formadas en el electrodo negativo es la clave, "Dijo Nijamudheen.

Usando cálculos cuánticos, Nijamudheen y su consejero, Profesor Asistente de Ingeniería Química FAMU-FSU José Mendoza-Cortes, descubrió que el problema se debe a la forma en que un componente de los electrolitos llamado diglima sufre la polimerización. La polimerización es un proceso en el que las moléculas se combinan químicamente para producir una molécula similar a una cadena larga llamada polímero.

En el caso de las baterías, los electrolitos a menudo se rompen y se vuelven a formar para crear moléculas mucho más grandes después de un contacto prolongado con los electrodos negativos y positivos de una batería.

"Si bien el proceso de degradación en sí es inofensivo, sus subproductos impiden que los iones accedan a los electrodos de la batería, que con el tiempo reduce la cantidad de energía almacenada que se puede recuperar de una batería, "dijo Lynden Archer, profesor de la Universidad de Cornell y consejero de Choudhury.

Sin embargo, mientras que algunos tipos de polímeros que resultan de este proceso bloquearían los iones para que no lleguen a los electrodos, otros han demostrado su eficacia para prolongar la vida útil de la batería.

Con sus cálculos de polimerización en la mano, los investigadores comenzaron a investigar otros tipos de electrolitos en los que el proceso de polimerización no obstaculizaría el rendimiento de la batería.

Típicamente, Las baterías de litio están fabricadas con electrolitos de carbonato orgánico. pero estos electrolitos son muy inflamables. Por lo tanto, la costosa infraestructura de regulación térmica que proporciona enfriamiento de las celdas de la batería sobrecalentadas es obligatoria para reducir los riesgos de fuga térmica e incendios de la batería.

En cambio, los investigadores probaron un electrolito de nitrato de litio, un electrolito estable que no es inflamable.

Usando ese electrolito, los investigadores comenzaron a realizar experimentos sobre la interfase de electrolitos sólidos o SEI. El SEI es una capa protectora formada en el electrodo negativo como resultado de la descomposición del electrolito, generalmente durante el primer ciclo de una batería.

"Una vez que tenga un buen SEI, tienes buena bateria, "dijo Mendoza-Cortes, quien también es profesor asistente en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU. "La idea es encontrar un electrolito y un solvente que puedan formar un SEI que sea estable y juegue a su favor".

Los investigadores diseñaron un nuevo tipo de SEI que se forma espontáneamente en una celda de batería utilizando sal de sacrificio o especies moleculares introducidas a través de los electrolitos. También introdujeron agentes de transferencia de cadena, una cadena de moléculas, que interactuaban con el diglima para formar un escudo que protege el electrodo cargado negativamente de degradarse.

Para evaluar la efectividad del diseño, el equipo de investigación realizó una serie de experimentos sobre la capacidad de la batería para ser utilizada y luego recargada. Descubrieron que podía pasar por 2 000 ciclos, muy por encima de los ciclos de carga convencionales de 300 a 500 asociados con la mayoría de las baterías de iones de litio.

"Con este proceso, podríamos obtener una eficiencia sin precedentes para este tipo de sistema, ", Dijo Mendoza-Cortés." La conclusión es que mejoramos el SEI. Eso significaría más poder que dura más. Allí hay mucho potencial ".