La creciente popularidad de las baterías de iones de litio en los últimos años ha ejercido presión sobre el suministro mundial de cobalto y níquel, dos metales que forman parte integrante de los diseños actuales de baterías, y ha hecho subir los precios.

En un intento por desarrollar diseños alternativos para baterías de litio con menos dependencia de esos escasos metales, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado un nuevo y prometedor sistema de cátodos y electrolitos que reemplaza los metales costosos y el electrolito líquido tradicional con fluoruros de metales de transición de menor costo y un electrolito de polímero sólido.

"Los electrodos fabricados con fluoruros de metales de transición han mostrado durante mucho tiempo problemas de estabilidad y fallas rápidas, lo que lleva a un escepticismo significativo sobre su capacidad para usarse en baterías de próxima generación, "dijo Gleb Yushin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Pero hemos demostrado que cuando se usa con un electrolito de polímero sólido, los fluoruros metálicos muestran una estabilidad notable, incluso a temperaturas más altas, lo que eventualmente podría conducir a baterías de iones de litio más ligeras y económicas ".

En una batería de iones de litio típica, la energía se libera durante la transferencia de iones de litio entre dos electrodos:un ánodo y un cátodo, con un cátodo que comprende típicamente litio y metales de transición como el cobalto, níquel y manganeso. Los iones fluyen entre los electrodos a través de un electrolito líquido.

Para el estudio, que se publicó el 9 de septiembre en la revista Materiales de la naturaleza y patrocinado por la Oficina de Investigación del Ejército, el equipo de investigación fabricó un nuevo tipo de cátodo a partir de material activo de fluoruro de hierro y un nanocompuesto de electrolito de polímero sólido. Los fluoruros de hierro tienen más del doble de capacidad de litio que los cátodos tradicionales a base de cobalto o níquel. Además, el hierro es 300 veces más barato que el cobalto y 150 veces más barato que el níquel.

Para producir tal cátodo, los investigadores desarrollaron un proceso para infiltrar un electrolito de polímero sólido en el electrodo de fluoruro de hierro prefabricado. Luego presionaron en caliente toda la estructura para aumentar la densidad y reducir los huecos.

Dos características centrales del electrolito a base de polímero son su capacidad para flexionarse y adaptarse a la hinchazón del fluoruro de hierro durante el ciclo y su capacidad para formar una interfase muy estable y flexible con el fluoruro de hierro. Tradicionalmente, que la hinchazón y las reacciones secundarias masivas han sido problemas clave con el uso de fluoruro de hierro en diseños anteriores de baterías.

"Los cátodos hechos de fluoruro de hierro tienen un potencial enorme debido a su alta capacidad, bajos costes de material y muy amplia disponibilidad de hierro, "Dijo Yushin." Pero los cambios de volumen durante el ciclo, así como las reacciones secundarias parasitarias con electrolitos líquidos y otros problemas de degradación han limitado su uso anteriormente. El uso de un electrolito sólido con propiedades elásticas resuelve muchos de estos problemas ".

Luego, los investigadores probaron varias variaciones de las nuevas baterías de estado sólido para analizar su rendimiento durante más de 300 ciclos de carga y descarga a una temperatura elevada de 122 grados Fahrenheit. señalando que superaron los diseños anteriores que usaban fluoruro metálico incluso cuando se mantenían fríos a temperatura ambiente.

Los investigadores descubrieron que la clave para el rendimiento mejorado de la batería era el electrolito de polímero sólido. En intentos anteriores de utilizar fluoruros metálicos, Se creía que los iones metálicos migraban a la superficie del cátodo y finalmente se disolvían en el electrolito líquido. causando una pérdida de capacidad, particularmente a temperaturas elevadas. Además, Los fluoruros metálicos catalizaron la descomposición masiva de electrolitos líquidos cuando las celdas funcionaban a más de 100 grados Fahrenheit. Sin embargo, en la conexión entre el electrolito sólido y el cátodo, tal disolución no tiene lugar y el electrolito sólido permanece notablemente estable, prevenir tales degradaciones, escribieron los investigadores.

"El electrolito de polímero que usamos era muy común, pero muchos otros electrolitos sólidos y otras arquitecturas de baterías o electrodos, como las morfologías de partículas de núcleo-capa, deberían poder mitigar de manera similar o incluso prevenir por completo las reacciones secundarias parasitarias y lograr características de rendimiento estables. "dijo Kostiantyn Turcheniuk, científico investigador en el laboratorio de Yushin y coautor del manuscrito.

En el futuro, los investigadores tienen como objetivo desarrollar electrolitos sólidos nuevos y mejorados para permitir una carga rápida y también combinar electrolitos sólidos y líquidos en nuevos diseños que sean totalmente compatibles con las tecnologías de fabricación de celdas convencionales empleadas en grandes fábricas de baterías.