Desde pasta de dientes hasta baterías para vehículos eléctricos
Probablemente sepa que el flúor, o más específicamente, el fluoruro de sodio, que es un compuesto de flúor, es un ingrediente común en la pasta de dientes. Al cepillarnos los dientes, el flúor ayuda a protegernos contra las caries. Sin embargo, tiene muchos otros usos prácticos, y los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han descubierto un uso del flúor que podría ayudar a proteger las baterías de vehículos eléctricos de la próxima generación contra la degradación del rendimiento.
Si bien hoy Baterías EV generalmente utilizan química de iones de litio, por lo que se vislumbra una generación completamente nueva de baterías para vehículos eléctricos. Hemos documentado algunas de estas sustancias químicas, como el litio-metal, aquí en GreenCars. Las baterías de metal de litio utilizan un ánodo hecho de metal de litio en lugar del grafito que normalmente se encuentra en las baterías de iones de litio. Combinadas con un cátodo que contiene níquel, manganeso y cobalto, las baterías de metal de litio tienen hasta el doble de densidad de energía que una batería de iones de litio.
Baterías de metal de litio: ventajas
Baterías de metal de litio en teoría, pueden proporcionar un alcance mucho mayor y, gracias a su densidad significativamente mayor, son más livianos, lo que aumenta la eficiencia y el rendimiento. Gracias a su menor tamaño y peso, las baterías de metal de litio también son lo suficientemente flexibles como para instalarse en camiones de larga distancia e incluso en aviones, lo que allana el camino para usos sin emisiones más allá de los automóviles.
El problema de las baterías de metal de litio es que su alta densidad de energía puede disminuir rápidamente con muchos ciclos de carga y descarga. Las pilas de iones de litio actuales pierden un pequeño porcentaje de su rendimiento y autonomía con el paso del tiempo, y esa es una de las razones por las que son tan populares; los compradores esperan que un automóvil funcione igual de bien dentro de unos años que cuando es nuevo.
Entonces, ¿cómo puede ayudar un ingrediente de la pasta de dientes? El secreto está en el electrolito, el líquido a través del cual los iones de litio se mueven entre el cátodo y el ánodo durante la carga y la descarga. En una batería de metal de litio, el electrolito suele ser un líquido que contiene una sal que contiene litio disuelta en un disolvente. El electrolito no forma una capa protectora en la superficie del ánodo durante los ciclos de carga.
Prolongar la vida útil de las baterías para vehículos eléctricos
Al igual que ayuda a formar una capa protectora en los dientes, el flúor es la clave para formar una capa protectora en la superficie del ánodo de metal de litio durante los ciclos de carga. Esta capa, denominada interfase electrolítica sólida (SEI), protege el ánodo y permite que los iones de litio entren y salgan libremente mientras se cargan y descargan, sin degradarse.
Dirigido por John Zhang, líder del grupo de la división de Ciencias Químicas e Ingeniería del Laboratorio Nacional de Argonne, el equipo descubrió que un disolvente de flúor mantendría una sólida capa protectora en el ánodo durante cientos de ciclos. El disolvente acopla un componente fluorado con carga positiva con uno con carga negativa para formar lo que se denomina fluido iónico. La combinación de los dos disolventes es lo que mantuvo un alto rendimiento en la batería de metal y litio durante cientos de ciclos de pruebas.
La Oficina de Ciencias del Departamento de Energía proporcionó acceso a sus recursos informáticos de alto rendimiento para facilitar las pruebas del fluido iónico a nivel atómico. Las simulaciones revelaron que los compuestos con flúor se adhieren y se acumulan en las superficies del ánodo y el cátodo de la batería antes de cualquier ciclo de carga y descarga. Luego, durante las primeras etapas de un carga o ciclo de descarga, se forma una capa SEI resiliente en el ánodo, que lo protege y prolonga su vida útil.
Más seguro y más respetuoso con el medio ambiente
Con la ayuda de sofisticadas simulaciones, el equipo ajustó la proporción de flúor y sal de litio para crear una capa que no fuera ni demasiado gruesa ni demasiado delgada, lo que permitía que los iones entraran y salieran de los electrodos de manera eficiente y, al mismo tiempo, ofreciera una protección suficiente. El nuevo electrolito también es económico; se puede fabricar con gran pureza y rendimiento en un solo paso, en comparación con los múltiples pasos que utilizan los electrolitos actuales. El electrolito a base de flúor también es más respetuoso con el medio ambiente, ya que utiliza menos disolvente, que es volátil y puede liberar contaminantes al medio ambiente. La seguridad es otra ventaja, ya que el nuevo electrolito no es inflamable.
El descubrimiento de este nuevo electrolito fluorado en el Laboratorio Nacional de Argonne podría ayudar a lanzar al mercado las baterías de metal de litio antes, lo que podría impulsar considerablemente la adopción de los automóviles eléctricos, ya que el tamaño de las baterías y precios bajaría. Además, la utilidad del nuevo electrolito podría extenderse a otros tipos de sistemas avanzados de baterías en el futuro.
