Pilas de iones de litio más seguras y eficientes gracias a un nuevo material

Las pilas o baterías de iones de litio de estado sólido, que tienen electrolitos sólidos, no son inflamables y tienen una mayor densidad de energía y valores más altos de transferencia que las pilas o baterías de su mismo tipo pero con electrolitos líquidos.

Lo lógico sería que las baterías de iones de litio con electrolitos sólidos les quitasen cuota de mercado a las de iones de litio con electrolitos líquidos, sobre todo en aplicaciones como los automóviles eléctricos. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los electrolitos sólidos tienen una conductividad de iones de litio inferior y presentan dificultades para lograr un contacto adecuado con el electrodo. Aunque los electrolitos sólidos basados en sulfuro son conductores bastante buenos, reaccionan con la humedad formando disulfuro de hidrógeno, que es tóxico. Por lo tanto, se necesitan electrolitos sólidos no sulfurados que sean buenos conductores y estables en el aire para fabricar baterías de iones de litio de estado sólido seguras, de alto rendimiento y de recarga rápida.

En un estudio reciente, un equipo de investigación dirigido por Kenjiro Fujimoto y Akihisa Aimi, ambos de la Universidad de Ciencia de Tokio en Japón, así como Shuhei Yoshida de la empresa Denso Corporation, descubrió un conductor de iones de litio que, además de ser estable en el aire, posee una capacidad de conducir iones mayor que las de los electrolitos sólidos de óxido.

La energía de activación de la conducción iónica de este material es extremadamente baja, y su conductividad iónica a baja temperatura es una de las más altas entre los electrolitos sólidos conocidos, incluidos los materiales basados en sulfuros.

Concretamente, incluso a 10 grados centígrados bajo cero, el nuevo material tiene la misma conductividad que a temperatura ambiente poseen los electrolitos sólidos convencionales basados en óxidos. Además, como también se ha verificado que se mantiene la conductividad hasta un poco por encima de los 100 grados centígrados, el rango operativo de este electrolito sólido es de entre 10 grados bajo cero y 100 sobre cero. Las baterías de iones de litio convencionales no pueden utilizarse a temperaturas por debajo de la de congelación del agua, ni tampoco aguantan temperaturas altas. En consecuencia, los aparatos que usan estas pilas, como por ejemplo los teléfonos móviles, dejar de funcionar con normalidad cuando la temperatura no está dentro del rango de entre 0 grados centígrados y 45.

Las pilas convencionales de iones de litio tienen limitaciones que no tendrán las de electrolito sólido fabricadas con el nuevo material. (Foto: Amazings / NCYT)

En particular, el nuevo material es muy estable y no se inflama si se daña. Es adecuado para aviones y otros puntos donde la seguridad es crítica. También es adecuado para aplicaciones de alta capacidad, como los vehículos eléctricos, porque puede utilizarse a altas temperaturas y admite recargas rápidas. Además, también es un material prometedor para la miniaturización de baterías, electrodomésticos y dispositivos médicos.

El estudio se titula "High Li-ion conductivity in pyrochlore-type solid electrolyte Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta)". Y se ha publicado en la revista académica Chemistry of Materials. (Fuente: NCYT de Amazings)