Litio ignífugo

Un electrolito a base de polímero hace que las baterías sigan funcionando y no se incendien cuando se calientan a más de 140 grados F.

por Chris Patrick

Las baterías recargables de iones de litio alimentan teléfonos, computadoras portátiles, otros dispositivos electrónicos personales y automóviles eléctricos, e incluso se utilizan para almacenar energía generada por paneles solares. Pero si la temperatura de estas baterías sube demasiado, dejan de funcionar y pueden incendiarse.

Esto se debe en parte a que el electrolito que contienen, que transporta iones de litio entre los dos electrodos cuando la batería se carga y descarga, es inflamable.

"Uno de los mayores desafíos en la industria de las baterías es este problema de seguridad, por lo que se está haciendo un gran esfuerzo para tratar de hacer un electrolito de batería que sea seguro", dijo Rachel Z Huang, estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford y primera autora de un informe publicado el 30 de noviembre en Matter.

Huang desarrolló un electrolito no inflamable para baterías de iones de litio con otros 19 investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford. Su trabajo demostró que las baterías que contienen este electrolito siguen funcionando a altas temperaturas sin provocar un incendio.

¿Su secreto? Más sal.

Los electrolitos de las baterías de iones de litio convencionales están hechos de una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico líquido, como éter o carbonato. Si bien este solvente mejora el rendimiento de la batería al ayudar a mover los iones de litio, también es un potencial iniciador de incendios.

Las baterías generan calor mientras funcionan. Y si hay pinchazos o defectos en una batería, se calentará rápidamente. A temperaturas superiores a 140 grados F, las pequeñas moléculas de solvente en el electrolito comienzan a evaporarse, transformándose de líquido a gas e inflando una batería como un globo, hasta que el gas se incendia y todo se incendia.

Durante los últimos 30 años, los investigadores han desarrollado electrolitos no inflamables, como los electrolitos poliméricos, que utilizan una matriz polimérica en lugar de la solución clásica de sal y disolvente para mover los iones. Sin embargo, estas alternativas más seguras no mueven los iones tan eficientemente como lo hacen los solventes líquidos, por lo que su desempeño no ha estado a la altura de los electrolitos convencionales.

El equipo quería producir un electrolito a base de polímeros que pudiera ofrecer tanto seguridad como rendimiento. Y Huang tuvo una idea.

Decidió agregar tanto como pudo de una sal de litio llamada LiFSI a un electrolito a base de polímeros diseñado y sintetizado por Jian-Cheng Lai, becario postdoctoral en la Universidad de Stanford y coautor del artículo.

"Solo quería ver cuánto podía agregar y probar el límite", dijo Huang. Por lo general, menos del 50 % del peso de un electrolito basado en polímero es sal. Huang elevó ese número al 63%, creando uno de los electrolitos a base de polímeros más salados de la historia.

A diferencia de otros electrolitos a base de polímeros, este también contenía moléculas de solventes inflamables. Sin embargo, el electrolito general, conocido como electrolito no inflamable anclado con solvente (SAFE), demostró no ser inflamable a altas temperaturas durante las pruebas en una batería de iones de litio.

SAFE funciona porque los solventes y la sal trabajan juntos. Las moléculas de disolvente ayudan a conducir los iones, lo que da como resultado un rendimiento comparable al de las baterías que contienen electrolitos convencionales. Pero, en lugar de fallar a altas temperaturas como la mayoría de las baterías de iones de litio, las baterías que contienen SAFE continúan funcionando a temperaturas entre 77 y 212 grados F.

Mientras tanto, las abundantes sales añadidas actúan como anclas para las moléculas del solvente, evitando que se evaporen y se incendien.

"Este nuevo hallazgo señala una nueva forma de pensar para el diseño de electrolitos basados ​​en polímeros", dijo Zhenan Bao, profesor de la Universidad de Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES) que asesora a Huang. "Este electrolito es importante para desarrollar futuras baterías que sean seguras y de alta densidad de energía".

Los electrolitos a base de polímeros pueden ser sólidos o líquidos. Es importante destacar que los solventes y la sal en SAFE plastifican su matriz de polímero para convertirlo en un líquido pegajoso, al igual que los electrolitos convencionales.

Un beneficio: un electrolito pegajoso puede encajar en las piezas de baterías de iones de litio disponibles en el mercado, a diferencia de otros electrolitos no inflamables que han surgido. Los electrolitos cerámicos de estado sólido, por ejemplo, deben usar electrodos especialmente diseñados, lo que los hace costosos de producir.

"Con SAFE no hay necesidad de cambiar ninguna configuración de fabricación", dijo Huang. "Por supuesto, si alguna vez se usa para la producción, se necesitan optimizaciones para que el electrolito encaje en la línea de producción, pero el trabajo es mucho menor que cualquiera de los otros sistemas".

Yi Cui, profesor de SLAC y Stanford e investigador de SIMES que también asesora a Huang, dijo: "Este nuevo electrolito de batería muy emocionante es compatible con la tecnología de celda de batería de iones de litio existente y tendría un gran impacto en la electrónica de consumo y el transporte eléctrico. "

Una aplicación de SAFE puede ser en autos eléctricos.

Si las múltiples baterías de iones de litio en un automóvil eléctrico se colocan demasiado juntas, pueden calentarse entre sí, lo que eventualmente podría provocar un sobrecalentamiento y un incendio. Pero, si un automóvil eléctrico contiene baterías llenas de un electrolito como SAFE que es estable a altas temperaturas, sus baterías se pueden empaquetar juntas sin preocuparse por el sobrecalentamiento.

Además de mitigar el riesgo de incendio, esto significa menos espacio ocupado por los sistemas de refrigeración y más espacio para las baterías. Más baterías aumentan la densidad de energía general, lo que significa que el automóvil podría pasar más tiempo entre cargas.

"Así que no es solo un beneficio de seguridad", dijo Huang. "Este electrolito también podría permitirle empacar muchas más baterías".

El tiempo dirá qué otros productos alimentados por batería podrían ser un poco más SEGUROS.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE bajo el Programa de Investigación de Materiales de Baterías y el Consorcio Battery 500.

Cita: Huang et al., Asunto, 30 de noviembre de 2022 (10.1016/j.matt.2022.11.003)

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