Pasar de electrolitos diluidos a superconcentrados reduce drásticamente la solubilidad de los haluros en capas y abre el camino a una nueva química de intercalación electroquímica.
Cerdanyola del Vallès, 30 julio 2021 No es ninguna sorpresa que el campo de investigación de las baterías esté recibiendo una atención considerable en los últimos años y que se estén realizando grandes esfuerzos para comprender y diseñar baterías con mejores prestaciones. Muchos de nuestros dispositivos electrónicos personales actuales (ordenadores portátiles, tabletas, teléfonos móviles, etc.) y también los coches eléctricos dependen del uso de baterías de ión-litio. Así pues, la carrera para lograr baterías que se puedan cargar en menos tiempo o que puedan almacenar más energía hace tiempo que ha comenzado.
Nacidas a principios de la década de los 90, las baterías de ión-litio se cargan y descargan cuando los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás entre el electrodo negativo (ánodo) y positivo (cátodo) dentro de la batería. El material del cátodo es uno de los componentes más importantes para determinar las propiedades de la batería.
Hasta ahora, materiales como óxidos, sulfuros o compuestos polianiónicos eran los cátodos elegidos en las baterías de ión-litio debido a su buena estabilidad en los clásicos electrolitos orgánicos diluidos. “El hallazgo de nuestro estudio abre el camino hacia una nueva química de intercalación que se basa en haluros de metales de transición hasta ahora inexplorados debido a su relativa solubilidad”, comenta Nicolas Dubouis, científico del Collège de France.
El equipo de investigación ha probado que los haluros de metales de transición se pueden emplear como electrodos de baterías de ión-litio mediante el uso de electrolitos superconcentrados en lugar de electrolitos regulares diluidos.
Si bien los materiales presentados en el artículo de Nature Materials son una prueba de concepto con un rendimiento cíclico limitado, la química de los haluros es vasta y los materiales de haluros de alta densidad de energía ahora se pueden imaginar como cátodos de baterías de ión-litio, ya sea como compuestos de intercalación o conversión.
El estudio ha sido liderado por científicos del Collège of France, la Sorbonne Université, el Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’Energie (RS2E) y el CNRS-CEMHTI en colaboración con la University of Sydney y la Australian Nuclear Science and Technology Organisation.
Para el análisis, se han realizado experimentos en el Sincrotrón ALBA utilizando la técnica de difracción de rayos X en la línea de luz MSPD y así monitorear la evolución de las estructuras de haluros de vanadio al ciclar en una batería. Para ello, los investigadores ensamblaron baterías de litio utilizando los materiales de interés como electrodos, en dispositivos de “celda de moneda” (similares a las pequeñas baterías comerciales). Estas celdas estaban equipadas con una ventana transparente que permite la transmisión del haz de luz de sincrotrón a través de toda la celda y sondear la estructura del material a tiempo real durante el funcionamiento de la batería.
“La intensidad de la luz de sincrotrón utilizada en los experimentos de difracción ha sido crucial para adquirir datos de alta resolución en muy poco tiempo y ayudar a caracterizar con mucha precisión el mecanismo de reacción del material del electrodo al ciclar”, señala Dubouis. Estos experimentos en el Sincrotrón confirmaron que los haluros de vanadio pueden usarse para intercalar reversiblemente iones de litio cuando se combinan con electrolitos superconcentrados.
Además, los nuevos hallazgos abren una nueva ruta sintética para diseñar materiales con propiedades físicas ajustables, como se ilustra en un artículo de seguimiento recién aceptado en Physical Review B con François Fauth (responsable de la línea MSPD) como coautor, describiendo las propiedades magnéticas de los haluros de vanadio litiados.
Referencia: Dubouis, N., Marchandier, T., Rousse, G. et al. Extending insertion electrochemistry to soluble layered halides with superconcentrated electrolytes. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01060-w
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-20-15798.
