Un material nanocompuesto innovador es la clave de unas baterías más seguras para los vehículos eléctricos
Una tecnología de baterías fiable es fundamental para la adopción masiva de los vehículos eléctricos en el mercado. Sin embargo, se necesitan nuevas clases de materiales de electrolitos sólidos para eliminar los problemas de seguridad e impulsar la próxima generación de baterías recargables.
De los electrolitos líquidos a los sólidos
En las baterías de iones de litio convencionales, una solución electrolítica permite el intercambio y el movimiento de los iones de litio entre el ánodo y el cátodo cuando la batería se utiliza y cuando se recarga. Los iones suelen ser desplazados por un electrolito líquido. Los esfuerzos por desarrollar electrolitos líquidos han fracasado repetidamente por motivos de seguridad. Si el carbonato orgánico empleado por lo general en las baterías de iones de litio se escapa de la caja de la batería, podría provocar fácilmente una explosión o un incendio. Estos problemas de seguridad han hecho que la industria se centre en las baterías de estado sólido, que pueden fabricarse con materiales inorgánicos de vitrocerámica o polímeros orgánicos. «Las vitrocerámicas inorgánicas presentan elevadas conductividades iónicas, pero tienen interfaces rígidas y son frágiles», señala David Mecerreyes, coordinador del proyecto eJUMP, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie. «Por el contrario, los polímeros orgánicos tienen propiedades mecánicas deseables, pero su conductividad iónica no alcanza las expectativas».
Una novedosa estructura combina lo mejor de ambos mundos
Recientemente, investigadores del Instituto de Materiales Fronterizos de la Universidad de Deakin, en Australia, propusieron una nueva clase de electrolitos orgánicos de estado sólido como principal candidato para lograr baterías de estado sólido más fiables. «Los cristales plásticos iónicos orgánicos (OIPC, por sus siglas en inglés) son materiales cristalinos compuestos por pequeños iones orgánicos con movimientos moleculares de corto alcance. Esta estructura confiere a los OIPC varias propiedades únicas, como múltiples transiciones de fase sólido-sólido y propiedades mecánicas plásticas, que pueden mejorar en gran medida el contacto interfacial con los electrodos y, lo que es más importante, facilitar la difusión de iones», explica Mecerreyes. Su trabajo también demostró que este tipo de electrolitos presenta mejores propiedades mecánicas y de transporte de iones en combinación con rellenos de polímero. La investigación sobre el mecanismo subyacente de estos electrolitos compuestos está todavía en una fase muy temprana. «Hasta ahora, la investigación se ha centrado en estructuras de nanocompuestos formados por líquidos iónicos, nanopartículas inorgánicas y polímeros. Fuimos los primeros en combinar cristales plásticos iónicos con un nuevo tipo de nanopartículas poliméricas para obtener electrolitos en estado sólido», señala Mecerreyes. El equipo sintetizó nanopartículas poliméricas funcionalizadas de entre 30 y 500 nm de tamaño y con una química de superficie controlada para reforzar los OIPC. Tras la síntesis de las nanopartículas, los investigadores se centraron en las propiedades morfológicas y de transporte de iones.
El protagonismo de las nanopartículas poliméricas
El uso de rellenos de nanopartículas poliméricas representa un cambio de paradigma en los electrolitos compuestos de estado sólido. La mayoría de los rellenos de nanopartículas suelen estar basados en materiales inorgánicos, como alúmina o sílice. La modificación de la superficie de las nanopartículas inorgánicas es un proceso complejo con varios pasos. «El método de eJUMP simplifica enormemente el proceso de síntesis de nanopartículas; la polimerización en medios dispersos es un proceso de un solo paso y permite controlar no solo el tamaño de las nanopartículas, sino también los grupos funcionales unidos a su superficie. Además, la baja densidad de los polímeros permite una mejor dispersión del relleno en la matriz de los OIPC», explica Mecerreyes. Los últimos avances en el ámbito de los electrolitos poliméricos sólidos se recogen aquí. En otro artículo, se describe cómo las diferentes superficies de las nanopartículas afectan al comportamiento térmico y a las propiedades de transporte de iones de los OIPC.
Palabras clave
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