Baterías más eficientes gracias al desarrollo de nuevas sales de litio

El desarrollo de nuevas sales de litio enfocado a baterías es un gran nicho inexplorado que permitiría satisfacer las demandas requeridas por los actuales sistemas de almacenamiento de energía, garantizando mayores capacidades e incluso una mayor vida útil de las baterías.

En el ámbito de desarrollo de baterías, tanto el mundo industrial como el académico se han centrado en la búsqueda de nuevos materiales activos para el cátodo o en el desarrollo de nuevas matrices -ya fuesen líquidas o sólidas- para el electrolito, dejando de lado el desarrollo y búsqueda de nuevas sales de litio.Debido a ello, y a pesar de llevar muchos años en el mercado, el LiPF6 sigue siendo la sal de referencia en los electrolitos líquidos, así como el LiTFSI lo sigue siendo en el caso de los electrolitos poliméricos.Las sales de litio son uno de los componentes principales de los electrolitos dentro de una batería. Están basados en un anión inorgánico y un catión de litio, el cual es el responsable de la conductividad de litio en el sistema.

Estas sales tienen un rol imprescindible en los electrolitos debido a que son los responsables de la conductividad iónica, estabilidad electroquímica y térmica y la corrosión del sistema. Además de todo ello, la ciclabilidad de la batería suele estar altamente relacionada con la calidad y estabilidad de la capa protectora formada en el ánodo, la cual, a su vez, está íntimamente relacionada con la naturaleza del anión de la sal de litio utilizada.

Por todo ello, la generación de nuevas sales de litio que sobrepasen las ampliamente estudiadas y conocidas se vuelve de vital importancia. La búsqueda de baterías de alta densidad energética y segurasEl uso de Liº como nuevo ánodo, conocido en el mundo académico como el santo grial debido a sus características electroquímicas beneficiosas como pueden ser una alta capacidad específica y un bajo potencial de voltaje, han hecho mejorar la densidad energética de las primeras baterías de Li-ion basadas en grafito.

A este nuevo ánodo se le ha unido la cada vez más común utilización de materiales activos de intercalación de alto voltaje como los óxidos de níquel, manganeso y cobalto de alto contenido en el primero de ellos.El acoplamiento de estos dos componentes de la batería ha atraído la atención académica debido a varios factores, como son el aumento de la densidad energética, la fácil integración en el mercado y la simplicidad del procedimiento, ya que se trata de una tecnología de intercalación sin especies intermedias.

Sin embargo, este nuevo concepto de baterías de alto voltaje se encuentra con retos inherentes que están asociados a su alta reactividad química y a la formación de dendritas por parte del ánodo de litio o a la inferior estabilidad de los componentes del electrolito frente a los cátodos de clase 4-V y su colector de corriente de aluminio (Al0).

En este punto es donde resulta crucial el desarrollo de nuevas sales de litio con el objetivo de optimizar las propiedades del electrolito. Estas nuevas sales integradas en el electrolito deben promover un ciclado sin dendritas debido a su facilidad para generar una capa protectora en el ánodo de litio mediante su descomposición, así como, a su vez, deben proteger el resto de los componentes de la batería a las posibles corrosiones por el alto voltaje.

Durante años, bajo la atenta supervisión de Michel Armand y María Martínez, el grupo de polímeros ha desarrollado diversas sales de litio basadas en sulfonamidas. En 2020, CIC energiGUNE reportó una sal de litio libre de grupos CF3. Si bien estos grupos mejoran la plastificación de los sistemas basados en electrolito sólido, su alta estabilidad impide la generación de capas protectoras en el ánodo de litio que pasivicen y protejan éste frente a la generación y crecimiento de dendritas.

Un año más tarde, en 2021, se reportaron dos diferentes tipos de sales basadas en grupos benceno que conjugaban las buenas propiedades de solvatación de la sal de referencia LiTFSI con una mayor selectividad de la conducción de iones de litio, tres veces superior a la referencia, lo que hace mejorar la ciclabilidad del sistema al reducir la presencia de dendritas.En 2022 el estudio se realizó en la sal LiDFTFSI. Esta sal es una sulfonamida basada en LiTFSI a la que se ha sustituido un F por un H. Esta sustitución da lugar a una molécula asimétrica químicamente más inestable que ya demostró su idoneidad en 2018 para generar una capa protectora en el litio aumentando la vida útil de una batería de bajo voltaje (batería basada en litio azufre) un 600%.

En este nuevo estudio, se demostró que la descomposición de esta sal de litio no solo genera una capa protectora en el ánodo que reduce su reactividad aumentando su vida útil, sino que dicha capa protectora también es generada en el cátodo eliminando o protegiendo al sistema de la corrosión debido al alto voltaje. Esto es de gran importancia ya que demuestra la viabilidad de esta sal para ser usada en los cátodos de alto voltaje que se están desarrollando actualmente, aumentando su vida útil debido a la pasivación y protección del colector de corriente.

Una sal de litio de alta estabilidad no corrosiva

Como resumen se podría concluir que, a través de este trabajo, por un lado, se ha desarrollado con éxito una sal de litio con una estabilidad anódica alta y no corrosiva, garantizando así la seguridad del sistema. Por otro lado, se ha visto que el electrolito desarrollado que contiene nuevas estructuras salinas es capaz de mejorar la retención de capacidad y la estabilidad de la batería llegando a los 200 ciclos. Por tanto, este trabajo sienta las bases de futuras optimizaciones del sistema que permitan hacer realidad la aplicación práctica de este tipo de electrolitos.

En resumen, dado el aumento actual y futuro de las demandas energéticas, la introducción de nuevas estructuras salinas en el electrolito deseado podría ser un enfoque interesante para mejorar el rendimiento de la batería. Por ello, gracias a la colaboración interdisciplinar de los diferentes grupos de investigación, CIC energiGUNE pretende promover el desarrollo de nuevas sales y el estudio práctico y real del rendimiento de las mismas.