Baterías sin ánodo duplican la autonomía de vehículos eléctricos con tecnología de electrolito novedosa

Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), Pohang, Corea

Ilustración esquemática y celda pouch de electrolito diseñado con huésped reversible y su rendimiento de ciclado. (Imagen: Los investigadores)

Logro récord de densidad energética volumétrica

Un equipo de investigación conjunto liderado por el profesor Soojin Park y el Dr. Dong-Yeob Han del Departamento de Química de POSTECH, junto con el profesor Nam-Soon Choi y el Dr. Saehun Kim de KAIST, y el profesor Tae Kyung Lee y el investigador Junsu Son de la Universidad Nacional de Gyeongsang, ha logrado una densidad energética volumétrica de 1270 Wh/L en una batería de litio metálico sin ánodo. Este valor es casi el doble que el de las baterías de iones de litio utilizadas actualmente en vehículos eléctricos, que suelen ofrecer alrededor de 650 Wh/L. El logro se publicó en Advanced Materials.

Concepto de batería sin ánodo

Una batería de litio metálico sin ánodo elimina el ánodo convencional por completo. En su lugar, los iones de litio almacenados en el cátodo se mueven durante la carga y se depositan directamente sobre un colector de corriente de cobre. Al eliminar componentes innecesarios, más espacio interno puede dedicarse al almacenamiento de energía, de forma similar a colocar más combustible en un tanque del mismo tamaño. Sin embargo, este diseño conlleva desafíos serios. Si el litio se deposita de manera desigual, pueden formarse estructuras aciculares afiladas conocidas como dendritas, aumentando el riesgo de cortocircuitos y peligros de seguridad. La carga y descarga repetidas también pueden dañar la superficie de litio, acortando rápidamente la vida útil de la batería.

Estrategia dual: huésped reversible y electrolito diseñado

Para abordar estos problemas, el equipo adoptó una estrategia dual que combina un huésped reversible (RH) y un electrolito diseñado (DEL). El huésped reversible consiste en una estructura polimérica incrustada con nanopartículas de plata (Ag) distribuidas uniformemente, que guían al litio para que se deposite en ubicaciones designadas en lugar de hacerlo al azar. En términos simples, actúa como un estacionamiento dedicado para el litio, asegurando una deposición ordenada y uniforme.

El electrolito diseñado mejora aún más la estabilidad al formar una capa protectora delgada pero robusta compuesta por Li₂O y Li₃N en la superficie del litio. Esta capa funciona como una venda en la piel, previniendo el crecimiento dañino de dendritas mientras mantiene abiertas las vías para el transporte de iones de litio.

Rendimiento sobresaliente validado en celdas pouch

Cuando se combinan, el sistema RH–DEL ofreció un rendimiento excepcional. Bajo alta capacidad areal (4.6 mAh cm-2) y densidad de corriente (2.3 mA cm-2), la batería retuvo el 81.9 por ciento de su capacidad inicial después de 100 ciclos y alcanzó una eficiencia coulombica promedio del 99.6 por ciento. Estos resultados permitieron al equipo alcanzar la densidad energética volumétrica récord de 1270 Wh/L en baterías de litio metálico sin ánodo.

Importante, este rendimiento se validó no solo en pequeñas celdas de laboratorio, sino también en baterías tipo pouch, que están más cerca de aplicaciones reales en vehículos eléctricos. Incluso con una cantidad mínima de electrolito (E/C = 2.5 g Ah-1) y bajo baja presión de apilamiento (20 kPa), las baterías operaron de forma estable. Esto demuestra un fuerte potencial para reducir el peso y volumen de la batería, al tiempo que disminuye las cargas de fabricación, mejorando significativamente la viabilidad comercial.

"Este trabajo representa un avance significativo al abordar simultáneamente los problemas de eficiencia y vida útil en baterías de litio metálico sin ánodo", comentó el profesor Soojin Park. El profesor Tae Kyung Lee añadió: "Nuestro estudio demuestra que el diseño de electrolitos basados en disolventes comercialmente disponibles puede lograr tanto alta movilidad de iones de litio como estabilidad interfacial".

Para más información, contactar a Nam-Soon Choi en namsoon@kaist.ac.kr.