Investigadores de IMDEA Materiales están trabajando en el desarrollo de un electrolito de estado sólido compuesto (CSSE) con propiedades ignífugas para baterías de ion de litio.
El objetivo de la investigación es resolver uno de los principales problemas a los que se enfrenta la actual generación de dispositivos de almacenamiento de energía de ion de litio, su dependencia de los sistemas de electrolitos líquidos.
Los electrolitos líquidos ofrecen una excelente conductividad iónica, un requisito clave para que las baterías se carguen rápidamente y sean duraderas. Sin embargo, son muy inflamables y provocan fugas térmicas, incendios e incluso explosiones en condiciones de abuso mecánico, eléctrico y/o térmico.
La fuga térmica es uno de los principales riesgos relacionados estas baterías. Se trata de un fenómeno en el que la célula de ion de litio entra en un estado de autocalentamiento incontrolable.
«Aunque las baterías de ion de litio presentan un excelente rendimiento electroquímico, en algunos casos los problemas de seguridad pueden llegar a ser muy graves», afirma Mingyang Zhang, investigador de IMDEA Materiales.
«Mi investigación actual se centra en el desarrollo de un nuevo CSSE con excelentes propiedades electroquímicas y mecánicas, y con un rendimiento de seguridad frente a incendios significativamente mejorado para sustituir a los electrolitos líquidos convencionales.»
«Esto se basa en el trabajo previo de los investigadores de IMDEA Materiales, que ya lograron introducir en el CSSE partículas de compuestos metal-orgánicos (MOFs), que se desarrollaron aquí en el Instituto, lo que mejora aún más la seguridad contra incendios.”
“Hasta donde yo sé, este es el primer trabajo que introduce simultáneamente partículas cerámicas y MOFs en baterías CSSE, lo que proporciona una dirección prometedora para avanzar en el desarrollo de las CSSE de alto rendimiento.”
El electrolito de las baterías sirve para transportar los iones de litio entre los electrodos positivo y negativo.
El principal inconveniente de los electrolitos en estado sólido es que ofrecen una escasa conductividad iónica a temperatura ambiente en comparación con su equivalente líquido. Esto se debe a que la película sólida que forma el electrolito, presenta un mayor nivel de resistencia al movimiento de los iones de litio dentro de la batería.
Para superar esta deficiencia, el trabajo de Zhang propone el desarrollo de un CSSE que combina una matriz polimérica flexible de óxido de polietileno (PEO) con partículas cerámicas altamente conductoras.
El polímero ofrece la flexibilidad necesaria para crear películas del grosor requerido de 0,1 mm, mientras que las partículas cerámicas facilitan el flujo de iones de litio, garantizando así un nivel adecuado de conductividad.
Sin embargo, encontrar el equilibrio perfecto no es nada sencillo. Añadir un porcentaje demasiado alto de partículas cerámicas aumenta la rugosidad de la superficie, lo que obstruye el contacto entre las películas de electrolito con el electrodo.
La investigación se lleva a cabo en el marco del grupo de Nanocompuestos Poliméricos de Alto Rendimiento (HPPN) de IMDEA Materiales, dirigido por el Prof. Dr. De-Yi Wang.
En los últimos años, este grupo de investigación ha desarrollado una serie de proyectos destinados a mejorar la estabilidad térmica de las baterías de ion de litio.
Estos incluyen métodos específicos de evaluación de la seguridad frente al fuego para baterías de electrolitos líquidos, separadores poliméricos y electrolitos poliméricos en gel con propiedades retardantes de la llama, y explorando la aplicación de retardantes de la llama.
El Instituto tiene una larga trayectoria en el desarrollo de tecnología punta para baterías, con trabajos sobre ánodos de silicio nanoestructurados y electrodos para baterías de magnesio, entre otros proyectos.
La tecnología relacionada con los CSSE no es todavía suficientemente madura para ser comercializada, ya que todavía debe resolver retos relacionados con las altas temperaturas necesarias para lograr una conductividad óptima.
De hecho, la Alianza Europea de Baterías (Battery European Partnership Alliance, BEPA) no prevé la completa comercialización de esta nueva generación de baterías de ion litio, denominada Generación 4a, hasta la próxima década.[1]
Sin embargo, Zhang espera que la investigación que se está desarrollando actualmente en IMDEA Materiales sirva de trampolín para superar estos inconvenientes en esta nueva generación de baterías.
[1] BEPA Strategic Research & Innovation Agenda (https://bepassociation.eu/wpcontent/uploads/2021/09/BATT4EU_reportA4_SRIA_V15_September.pdf)
