Este ánodo solucionará un gran problema de las baterías de los coches eléctricos

Aunque existen varias alternativas en desarrollo, las baterías actualmente mayoritarias en el mundo del automóvil eléctrico, así como en cualquier sector tecnológico, son las formadas por iones de litio.

Estas baterías han sido ampliamente desarrolladas durante los últimos años y actualmente alcanzan un rendimiento muy considerable, con vehículos a la venta superando ya los 700 kilómetros de autonomía.

Lo malo es que esto sólo sucede en determinadas condiciones próximas a las ideales, pues el invierno hace mucho daño a la potencia y la longevidad de las baterías de iones de litio. Sin embargo, este ánodo desarrollado por científicos chinos permite un buen rendimiento incluso con temperaturas de -35 ºC.

El frío reduce la capacidad teórica

La comunidad científica ha llegado a un consenso en relación a lo que provoca la considerable pérdida de capacidad a temperaturas bajo cero: la barrera de alta energía de resistencia a la transferencia de carga en el lento proceso de desolvatación de iones de litio (Li +). Algo que está estrechamente relacionado con la fuerza de la energía de enlace de Li + solvatado en la interfaz electrolito-electrodo.

Por otro lado, el grafito con una capacidad teórica de 372 mAh g - 1, como es el caso de los ánodos comerciales de última generación, sufre una severa degradación de la capacidad a medida que desciende la temperatura. De hecho, su capacidad decae rápidamente a solo 12 mAh g –1 a −20 °C.

Hasta ahora, la estrategia de la comunidad científica se ha centrado en desarrollar electrolitos y electrodos que consigan resolver el problema del rendimiento bajo temperaturas extremas.

Principalmente, se han adaptado las estructuras de los electrolitos y se han introducido aditivos que reduzcan el punto de congelación y aumenten la conductividad iónica. También se han modificado las superficies de la estructura del electrodo para reducir de ese modo la barrera de energía de transferencia de carga.

El ánodo de carbono dodecaédrico

Según este grupo de investigadores chinos, la clave para abordar la pérdida de capacidad a baja temperatura radica en ajustar las configuraciones electrónicas de la superficie del ánodo de carbono.

De ese modo, es posible reforzar la interacción coordinada entre los iones de litio solvatados y los sitios de adsorción para la desolvatación del mismo, reduciendo con ello la energía de activación de la transferencia de carga.

Con ello en mente, los investigadores chinos prepararon nanoesferas de carbono similares a cebollas multicapa ancladas en el marco de carbono dodecaédrico (O-DF). Para ello, emplearon la técnica de la pirólisis directa a baja temperatura del marco de imidazolato zeolítico-67 (ZIF-67).

El resultado fue que, cuando la temperatura desciende a -20 °C, el ánodo basado en carbono O-DF exhibe una alta capacidad reversible de 624 mAh g -1, con una retención de capacidad del 85,9% a 0,1 A g -1. Estos resultados superan con creces los del grafito de última generación con curvatura cero.

Incluso si la temperatura cae a -35 °C, el O-DF aún se retiene de manera efectiva a la capacidad reversible de 160 mAh g –1 a 0,1 A g –1 después de 200 ciclos. Todo ello sugiere que un diseño basado en esta tipología de materiales podría extender la funcionalidad de las baterías de iones de litio a entornos extremos.

Fuente: ACS PublicationsFotos: Depositphotos.com