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Baterías de Ion Li a base de agua sin riego de explosión

En TheNewNow ya habíamos visto baterías ignífugas de madera en lugar del habitual metal que había dado lugar a algunos episodios recientes de explosión de dispositivos. Ahora, la misma Universidad de Meryland presenta una nueva alternativa basada en agua.

Elegir entre potencia y seguridad en las baterías

Hasta ahora si se deseaba disponer de alta energía, se utilizaba una solución no acuosa de iones de litio en la batería, pero eso tendía a comprometer la seguridad. Si lo que se buscaba era la seguridad, se podía utilizar una batería acuosa tal como la de hidruro de níquel y metal, pero tenías que conformarte con una energía más baja. Ahora, investigadores de la Universidad de Maryland y el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE.UU. han desarrollado por primera vez una batería de iones de litio que utiliza una solución de agua salina en su electrolito y alcanza la marca de 4,0 voltios deseada para la electrónica doméstica. Y sin los riesgos de incendio y explosión asociados con algunas baterías de litio-ion no acuosas comercialmente disponibles.

La investigación sigue un estudio publicado en 2015 en Science que produjo una batería similar de 3,0 voltios con un electrolito acuoso, pero fue impedido de alcanzar mayores voltajes por el llamado “desafío catódico”, en el que un extremo de la batería, hecho de grafito o litio metal, se degrada por el electrolito acuoso. Para resolver este problema y dar el salto de tres voltios a cuatro, el primer autor, Chongyin Yang, investigador asistente de la Universidad de Maryland, diseñó un nuevo recubrimiento de gel de polímero electrolito que se puede aplicar al grafito o ánodo de litio.

 

Este recubrimiento hidrófobo expulsa las moléculas de agua de la vecindad de la superficie del electrodo y luego, al cargarse por primera vez, se descompone y forma una interfase estable -una delgada mezcla de productos de descomposición que separa el ánodo sólido del electrolito líquido. Esta interfase, inspirada en una capa generada dentro de baterías no acuosas, protege el ánodo de reacciones secundarias debilitantes, permitiendo que la batería utilice materiales anódicos deseables, tales como grafito o metal de litio, y logre una mejor densidad de energía y capacidad de ciclismo.

“La innovación clave aquí es hacer el gel adecuado que puede bloquear el contacto del agua con el ánodo para que el agua no se descomponga y también puede formar la interfase correcta para soportar un alto rendimiento de la batería”, dice Chunsheng Wang, Ingeniería Química y Biomolecular en la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland.

La adición del revestimiento de gel también aumenta las ventajas de seguridad de la nueva batería cuando se compara con las baterías de litio-ion no acuosas estándar, y aumenta la densidad de energía cuando se compara con cualquier otra batería de iones de litio acuosa. Todas las baterías acuosas de iones de litio se benefician de la no inflamabilidad de los electrolitos a base de agua en comparación con los disolventes orgánicos altamente inflamables usados en sus contrapartes no acuosas. Sin embargo, único en este caso es que incluso cuando la capa de interfase está dañada (por ejemplo, si la carcasa de la batería se pinchó), reacciona lentamente con el ánodo de grafito litio o litiado, evitando el humo, el fuego o la explosión que ocurren si una batería dañada lleva el metal al contacto directo con el electrolito.

Figura 4.
Los perfiles de voltaje de carga y descarga y las prestaciones de ciclos de varias baterías acuosas de iones de litio de clase 4.0 V
(A y B) El perfil de tensión (A) y la estabilidad del ciclo (B) de LiVPO 4 F frente a Li metal a 0,3 C. La capacidad se basa en la masa del cátodo.
(C y D) El perfil de tensión (C) y la estabilidad del ciclo (D) de LiVPO 4 F frente a grafito a 0,3 C. La capacidad se basa en la masa del ánodo.
(E y F) El perfil de tensión (E) y la estabilidad del ciclo (F) de LiMn 2 O 4 frente a Li metal a 0,3 C. La capacidad se basa en la masa del cátodo.

Fuente: University Of Maryland.

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