En una misión para construir mejores baterías para vehículos eléctricos, los químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han utilizado un aditivo de electrolitos para mejorar la funcionalidad de las baterías de metal de litio densas en energía.Al agregar un compuesto llamado nitrato de cesio al electrolito que separa el ánodo y el cátodo de la batería, el equipo de investigación ha mejorado significativamente la tasa de carga de las baterías de litio metálico manteniendo un ciclo de vida prolongado.

El nuevo trabajo del equipo,publicado recientementeenComunicaciones de la naturaleza, apunta a la interfase, una capa protectora formada en el ánodo y el cátodo de la batería.Esta capa, que evita la degradación de los electrodos de la batería, es la clave para crear baterías de metal litio que puedan cargarse y descargarse tantas veces como sea posible.baterías de iones de litio.

"Queríamos mejorar la velocidad de carga de las actuales baterías de metal de litio de última generación", explicó Muhammad Mominur Rahman, investigador asociado del Grupo de Almacenamiento de Energía Electroquímica de la División de Química de Brookhaven y primer autor del nuevo artículo.."Pero también queríamos estabilizar las baterías con una interfaz más protectora para que duraran más".

Además de estabilizar con éxito la batería, el aditivo electrolítico de Rahman alteró la química de la batería de una manera inesperada.

"Los hallazgos de Mominur desafían las creencias convencionales sobre los componentes de una interfase eficaz", dijo Enyuan Hu, químico de Brookhaven e investigador principal del Grupo de Almacenamiento de Energía Electroquímica."Estamos entusiasmados de ver cómo estos hallazgos contribuyen al importante esfuerzo del DOE centrado en las baterías de metal litio".

Un paso hacia un objetivo más amplio

Hu y su equipo están trabajando junto con otros expertos en baterías como parte del Consorcio Battery500, una colaboración de varios laboratorios y universidades nacionales.El consorcio, liderado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE, se esfuerza por fabricar baterías con una densidad de energía de 500 vatios-hora por kilogramo, más del doble de la densidad de energía de las baterías de última generación actuales.

Esta densidad de energía no se puede lograr con las baterías de iones de litio que alimentan la mayoría de los dispositivos que funcionan con baterías en la actualidad, incluidos teléfonos, controles remotos de televisión e incluso vehículos eléctricos.Por lo tanto, los científicos tuvieron que recurrir a las baterías de metal de litio para lograr sus objetivos.Estas baterías poseen un ánodo de metal de litio, en lugar del ánodo de grafito presente en las baterías de iones de litio.

"La batería de metal de litio es atractiva porque puede dar el doble dedensidad de energíade una batería con ánodo de grafito", explicó Rahman. "Pero aún quedan muchos retos que afrontar".

La investigación más reciente de Brookhaven aborda uno de estos desafíos: lograr un equilibrio entre la velocidad de carga y el ciclo de vida.

También es probable que el electrolito que normalmente permite la carga rápida de la batería reaccione con el ánodo de metal de litio.Si estosreacciones quimicasProcede sin control, el electrolito se descompone y reduce la vida útil de la batería.Para evitar que esto suceda, los químicos de Brookhaven se propusieron diseñar la interfase.

Estudios anteriores habían indicado que el ánodo de litio metálico podría estabilizarse con un aditivo de cesio.Pero para aumentar la velocidad de carga y al mismo tiempo mantener la vida útil de la batería, es necesario estabilizar el ánodo y el cátodo simultáneamente.Los científicos de Brookhaven creían que el nitrato de cesio podría servir para este propósito en las baterías de metal litio.Como habían planteado la hipótesis, el ion cesio positivo se acumuló en el lado del ánodo de metal de litio cargado negativamente de la batería, mientras que el ion nitrato negativo se acumuló en el cátodo cargado positivamente.

Para comprender mejor cómo el aditivo de nitrato de cesio influyó en la composición del electrolito y el rendimiento de la batería, los químicos llevaron las nuevas baterías a la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab.