Las baterías de litio-ion convencionales presentan riesgos significativos debido a la naturaleza inflamable del electrolito líquido. Además, las baterías de litio-ion están cerca de su límite práctico de densidad energética debido a las limitaciones del electrodo negativo de carbono. Por lo tanto, las mejoras en el electrolito deben seguir un completo cambio de concepto, en lugar de limitarse a la ingeniería de la química del electrolito líquido.

Los desarrollos recientes sobre electrolitos de litio-ion se ha centrado en descartar las soluciones líquidas orgánicas poco seguras y en la transición hacia electrolitos más inertes; idealmente, electrolitos conductores de litio+ sin disolventes. Los electrolitos poliméricos sólidos son intrínsecamente seguros y reducen significativamente el riesgo de incendios extensos en comparación con los electrolitos líquidos actuales de las baterías de litio-ion.

Además, los electrolitos poliméricos sólidos permitirán eliminar los actuales electrodos negativos basados en carbono, pasando a electrodos negativos de Li metal y baterías sin ánodo (anodeless). Esto permitirá aumentar la densidad energética de las baterías a valores que incrementarán la autonomía de los vehículos eléctricos hasta unos 800 km, alcanzando la paridad con los actuales motores de combustión interna.

Existen diferentes químicas poliméricas adecuadas para aplicaciones en baterías como electrolitos poliméricos sólidos. Cada química polimérica ofrece distintas ventajas, como ya se comentó en nuestra anterior entrada del blog. Sin embargo, resulta especialmente difícil desarrollar un electrolito polimérico con una ventana energética suficientemente grande que ofrezca estabilidad electroquímica simultáneamente frente al litio metálico y a materiales activos de alto voltaje.

Por ello, CIC energiGUNE ha desarrollado una estrategia inteligente y sencilla que combina capas de polímeros con distintas propiedades dentro de la misma batería. Estas capas pueden adaptarse a las propiedades requeridas en cada sección de la batería. Este enfoque se denomina electrolito polimérico de doble capa (DLPE por sus siglas en inglés).

Nuestra investigación de los últimos 4 años se ha centrado en el desarrollo de esta tecnología de electrolitos poliméricos de doble capa, en la que se utilizan dos electrolitos poliméricos diferentes dentro de la misma batería: uno en el lado del cátodo (catolito) y otro como separador (electrolito). Cada sección de la batería requiere propiedades electroquímicas y mecánicas diferentes del polímero; por lo tanto, los polímeros utilizados en cada sección pueden ser diferentes. Por un lado, el catolito requiere una alta conductividad iónica, estabilidad frente a potenciales oxidativos (>4 V frente a Li/Li+) y excelentes propiedades aglutinantes para mantener pegadas todas las partículas de material activo. Por otro lado, el electrolito requiere una alta conductividad iónica, estabilidad química y electroquímica frente a electrodos negativos de litio metálico y propiedades mecánicas suficientes para evitar la penetración de dendritas. Así, el enfoque DLPE evita la degradación no deseada del electrolito o catolito que se produce cuando se utiliza un electrolito polimérico único en toda la celda derivada de la baja brecha energética mencionada anteriormente en el texto. Además, otras propiedades como la estabilidad mecánica, las propiedades aglutinantes y la conductividad iónica pueden adaptarse en función de las necesidades de cada aplicación de la batería.

El principal inconveniente de la estrategia del electrolito polimérico de doble capa es la interdifusión de sales de Li entre las distintas capas poliméricas. Para hacerle frente, CIC energiGUNE ha desarrollado una estrategia para evitar esta interdifusión espontánea de sales de Li entre las capas poliméricas de la batería, que ha dado lugar a la presentación de una solicitud de patente en colaboración con empresas fabricantes de baterías como Saft. Esta tecnología patentada consiste en una modificación de los aniones de la sal de Li, que impide eficazmente el libre movimiento de los átomos de Li y no añade ningún peso significativo de volumen a la celda, manteniendo altos valores de densidad de energía gravimétrica y volumétrica.

En el desarrollo antes mencionado, el Poli (óxido de etileno) (PEO) y el carbonato de propileno (PPC) se utilizan como electrolito y catolito, respectivamente. Estos polímeros se componen de diferentes unidades monoméricas: El PEO está compuesto por unidades de óxido de etileno (EO) que ofrecen una alta conductividad iónica y estabilidad frente a potenciales reductores (con litio metálico); sin embargo, sufre degradación cuando se encuentra bajo potenciales oxidativos (>4 V vs Li/Li+). El PPC está compuesto por unidades de carbonato de propileno (PC), que ofrecen conductividad iónica, y son altamente estables a potenciales oxidativos (>4 V vs Li/Li+); sin embargo, estas unidades se degradan bajo potenciales reductivos presentes en el lado de la celda del litio metálico. Por lo tanto, cada polímero cumple todos los requisitos para cada sección de la batería (electrolito y catolito).

Aplicando el enfoque del electrolito polimérico de doble capa, la combinación de estos electrolitos poliméricos con diferentes químicas puede permitir soportar litio metálico y materiales activos de electrodos positivos de alto voltaje simultáneamente.

Comparativamente, una celda electroquímica compuesta por un único electrolito polimérico (por ejemplo, PEO) muestra degradación del catolito y una vida corta de la batería. La celda electroquímica desarrollada mediante la estrategia del electrolito polimérico de doble capa supera a esta celda de última generación, ofreciendo una mayor estabilidad, retención de la capacidad y duración del ciclo.

En la actualidad, CIC energiGUNE desarrolla nuevos electrolitos poliméricos y sales de Li que mejoran la compatibilidad con ambos electrodos. La integración de celdas mediante el enfoque de electrolitos poliméricos de doble capa permite el uso de los electrolitos de mejor rendimiento en el mismo dispositivo electroquímico y mejora la ventana de estabilidad electroquímica de las futuras baterías de litio metálico de estado sólido basadas en electrolitos poliméricos.