Investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y de la Universidad de Stanford desarrollaron un electrolito no inflamable para baterías de iones de litio que permite que los dispositivos sigan funcionando a altas temperaturas sin provocar un incendio.
Hasta ahora, el electrolito inflamable utilizado en las baterías de iones de litio hacía que algunas de ellas dejaran de funcionar y se incendiaran cuando su temperatura subía demasiado.
La razón es que los electrolitos convencionales están hechos de una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico líquido, como éter o carbonato. Aunque este disolvente mejora el rendimiento de la pila al ayudar a desplazar los iones de litio, también puede provocar incendios.
Las baterías generan calor cuando funcionan. Y si hay pinchazos o defectos en una batería, ésta se calentará rápidamente. A temperaturas superiores a 140 grados F, las pequeñas moléculas de disolvente del electrolito empiezan a evaporarse, transformándose de líquido a gas e inflando la batería como un globo, hasta que el gas se incendia y todo el conjunto arde en llamas.
En los últimos 30 años, los investigadores han desarrollado electrolitos no inflamables, como los electrolitos poliméricos, que utilizan una matriz polimérica en lugar de la clásica solución de sal y disolvente para mover los iones. Sin embargo, estas alternativas más seguras no mueven los iones con tanta eficacia como los disolventes líquidos, por lo que su rendimiento no ha estado a la altura de los electrolitos convencionales.
Por eso, el equipo SLAC/Stanford quería producir un electrolito a base de polímeros que ofreciera tanto seguridad como rendimiento.
Electrolito SEGURO
Dirigido por Rachel Z Huang, primera autora del estudio que presenta el electrolito, el grupo decidió añadir la mayor cantidad posible de una sal de litio llamada LiFSI a un electrolito basado en polímeros diseñado y sintetizado por Jian-Cheng Lai, becario postdoctoral de la Universidad de Stanford y coprimer autor del trabajo.
“Sólo quería ver cuánto podía añadir y probar el límite”, explica Huang. Normalmente, menos del 50% del peso de un electrolito polimérico es sal. Huang elevó esa cifra al 63%, creando uno de los electrolitos poliméricos más salados de la historia.
A diferencia de otros electrolitos poliméricos, éste también contenía moléculas de disolventes inflamables. Sin embargo, el electrolito en su conjunto, conocido como Solvent-Anchored non-Flammable Electrolyte (SAFE), demostró no ser inflamable a altas temperaturas durante las pruebas realizadas en una batería de iones de litio.
SAFE funciona porque los disolventes y la sal trabajan juntos. Las moléculas de disolvente ayudan a conducir los iones, lo que da como resultado un rendimiento comparable al de las baterías que contienen electrolitos convencionales. Pero, en lugar de fallar a altas temperaturas como la mayoría de las baterías de iones de litio, las baterías que contienen SAFE siguen funcionando a temperaturas entre 77 y 212 grados F.
Mientras tanto, las amplias sales añadidas actúan como anclajes para las moléculas de disolvente, evitando que se evaporen y se incendien.
Electrolito pegajoso
Los electrolitos basados en polímeros pueden ser sólidos o líquidos. Es importante destacar que los disolventes y las sales de SAFE plastifican su matriz polimérica para convertirlo en un líquido viscoso, como los electrolitos convencionales.
Según los investigadores, un electrolito viscoso puede encajar en las piezas de las baterías de iones de litio existentes en el mercado, a diferencia de otros electrolitos no inflamables que han surgido. Los electrolitos cerámicos en estado sólido, por ejemplo, deben utilizar electrodos especialmente diseñados, lo que encarece su producción.
“Con SAFE no es necesario cambiar ninguna configuración de fabricación”, afirma Huang. “Por supuesto, si alguna vez se utiliza para la producción hay optimizaciones necesarias para que el electrolito encaje en la línea de producción, pero el trabajo es mucho menor que con cualquiera de los otros sistemas”.
La científica y sus colegas creen que una de las aplicaciones de SAFE podría ser en los coches eléctricos.
Explican que si las múltiples baterías de iones de litio de un coche eléctrico están demasiado juntas, pueden calentarse unas a otras, lo que a la larga podría provocar un sobrecalentamiento e incendio. Pero si un coche eléctrico contiene baterías llenas de un electrolito como SAFE, que es estable a altas temperaturas, las baterías pueden estar muy juntas sin riesgo de sobrecalentamiento.
Además de mitigar el riesgo de incendio, esto significa menos espacio ocupado por los sistemas de refrigeración y más espacio para las baterías. Un mayor número de baterías aumenta la densidad energética global, lo que significa que el coche podría durar más tiempo entre recargas.
“No se trata sólo de una ventaja para la seguridad”, explica Huang. “Este electrolito también podría permitir colocar muchas más baterías”.
