Nuevo electrolito para baterías de estado sólido más seguras y estables

Las baterías de iones de litio de estado sólido ofrecen mayor seguridad y densidad energética que sus homólogas de electrolito líquido, pero los problemas asociados al electrolito sólido, como la menor conductividad y el insuficiente contacto electrodo-electrolito, siguen siendo uno de los principales obstáculos en el camino de esta tecnología hacia la comercialización.

Ahora, un grupo de investigadores dirigido por la Universidad de Ciencias de Tokio ha descubierto un material de electrolito estable y altamente conductor en forma de oxifluoruro de tipo pirocloro. Esta innovación responde a la necesidad de electrolitos sólidos no sulfurados, lo que podría allanar el camino hacia baterías de iones de litio de estado sólido con mejores prestaciones y seguridad.

Hay tres clases de baterías de estado sólido. Las basadas en electrolitos poliméricos ya están en el mercado, mientras que las basadas en electrolitos de óxido y sulfuro se encuentran sobre todo en fase de prototipo. En concreto, los electrolitos de sulfuro han sido la tecnología elegida por algunos de los principales desarrolladores, como BYD, CATL, Samsung SDI y Toyota.

Sin embargo, aunque los electrolitos sólidos de sulfuro son conductores, reaccionan con la humedad del aire y forman sulfuro de hidrógeno tóxico.

“Fabricar baterías secundarias de iones de litio totalmente sólidas ha sido el sueño de muchos investigadores”, afirma Kenjiro Fujimoto. “Hemos descubierto un electrolito sólido de óxido que es un componente clave de las baterías de iones de litio totalmente sólidas, que tienen una alta densidad energética y son seguras. Además de ser estable en el aire, el material presenta una conductividad iónica superior a la de los electrolitos sólidos de óxido descritos anteriormente.”

En concreto, el oxifluoruro de tipo pirocloro demostró una conductividad iónica aparente de 7,0 mS cm-¹ y una conductividad iónica total de 3,9 mS cm-¹ a temperatura ambiente. La energía de activación de la conducción iónica de este material es extremadamente baja, y la conductividad iónica de este material a baja temperatura es una de las más altas entre los electrolitos sólidos conocidos, incluidos los materiales a base de sulfuro, informaron los investigadores.

Incluso a -10 C, el nuevo material presentaba la misma conductividad que los electrolitos sólidos convencionales basados en óxidos a temperatura ambiente. Además, como también se ha verificado la conductividad por encima de los 100 ºC, el rango de funcionamiento de este electrolito sólido es de -10 ºC a 100 ºC, en comparación con las condiciones de funcionamiento de las baterías de iones de litio de los teléfonos móviles de uso común, de 0 ºC a 45 ºC.

A diferencia de las actuales baterías de iones de litio, las baterías totalmente sólidas basadas en óxido no presentan riesgo de fugas de electrolito por daños ni de generación de gases tóxicos, como ocurre con las baterías basadas en sulfuro. Además, el nuevo material es muy estable y no se inflama si se daña.

Por lo tanto, los investigadores creen haber encontrado un material adecuado para su aplicación en aviones y otros lugares donde la seguridad es crítica, pero también para aplicaciones de alta capacidad, como los vehículos eléctricos, ya que puede utilizarse a altas temperaturas y admite recargas rápidas. Además, también es un material prometedor para la miniaturización de baterías, electrodomésticos y dispositivos médicos.

“No sólo hemos sintetizado con éxito un conductor de iones de litio de alta conductividad y estabilidad en el aire, sino que también hemos sido pioneros en una nueva clase de conductores superiónicos con un oxifluoruro de tipo pirocloro”, afirman los investigadores en “High Li-Ion Conductivity in Pyrochlore-Type Solid Electrolyte Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta)” (Alta conductividad de iones de litio en electrolito sólido tipo pirocloro Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta)), publicado recientemente en Chemistry of Materials.