Para alcanzar los valores de densidad energética exigidos por la industria automovilística, hay que elegir la química de batería adecuada. Una vez seleccionados el material activo de alto voltaje (por ejemplo, NMC811), y un electrodo negativo con una alta capacidad específica (por ejemplo, litio metálico o silicio) según las entradas anteriores del blog, el reto consiste en diseñar un electrolito compatible con ambos electrodos.

En comparación con la tecnología Li-ion actual, una batería de estado sólido sustituye el electrolito líquido por un material sólido. Como se detalla en un artículo anterior, se han diseñado diferentes materiales sólidos. El uso de materiales poliméricos como matrices de electrolitos permite alcanzar los valores de densidad energética requeridos. A diferencia de los electrolitos cerámicos, la flexibilidad de la cadena polimérica garantiza un contacto íntimo con el electrodo. La inflamabilidad de la batería se reduce significativamente con la implementación del material polimérico; sin embargo, la conductividad iónica, que permite que el flujo de Li cargue y descargue la batería, disminuye significativamente debido a la naturaleza semicristalina de los polímeros. Por lo tanto, las baterías basadas en un electrolito polimérico necesitan aumentar la temperatura de funcionamiento hasta valores >60 °C. Sin embargo, esto no es una limitación en términos de aplicación para la electromovilidad, como ha demostrado Blue Solutions, que ha comercializado vehículos eléctricos con baterías que contienen electrolitos poliméricos.

¿Qué polímeros son candidatos competitivos para ser utilizados como electrolitos?

Las propiedades electroquímicas de los electrolitos poliméricos están relacionadas con las propiedades térmicas del polímero. Entre estas propiedades, se busca un polímero amorfo y flexible con alto peso molecular y grupos químicos polares. Históricamente, se han propuesto diferentes polímeros para su aplicación en pilas, muchos de los cuales se utilizan en nuestra vida cotidiana.

• El poli(óxido de etileno) (PEO) es un material biocompatible y no tóxico cuyo homólogo de bajo peso molecular se utiliza en biomedicina.
• El poli(metacrilato de metilo) (PMMA) es un material duro y resistente a los arañazos muy utilizado en medicina, por ejemplo para prótesis óseas y dentales, y en diversos revestimientos.
• El policarbonato (PC), al ser un material no tóxico, puede encontrarse en muchas aplicaciones: paneles, maquinaria industrial o escudos tecnológicos.
• El poliacrilonitrilo (PAN), de gran estabilidad térmica, resistencia y módulo de elasticidad, se emplea para la fabricación de fibras sintéticas, conocidas como acrílicas.
• El polietileno (PE), que ofrece una buena resistencia térmica y química, se utiliza en envases alimentarios, film estirable y tubos para cosméticos y productos farmacéuticos.
• El fluoruro de polivinilideno (PVDF) es resistente a los productos químicos y a la temperatura, y puede encontrarse en revestimientos de tanques químicos.

La aplicación de estos polímeros en baterías ha exigido adaptar su química para satisfacer las demandas de tales dispositivos. En concreto, mejorar el movimiento segmentario de las cadenas sustituyendo los grupos rígidos por otros más flexibles.

Entre los polímeros propuestos, el PEO se sugirió en la década de 1980 y actualmente es el material de referencia en este campo. Es compatible con el electrodo negativo de metal de litio y proporciona una buena conductividad a 70 °C. Sin embargo, se observa que el anión se desplaza más rápidamente que el catión, lo que provoca polarización durante el ciclado. Además, las unidades de óxido de etileno tienden a oxidarse a alto voltaje, lo que conduce a una pobre estabilidad de voltaje y limita su aplicación en contacto con materiales activos de alto voltaje. Sin embargo, cabe destacar que es la única química polimérica utilizada como matriz conductora de iones de litio en una batería comercial (tecnología desarrollada por BlueSolutions).

La conductividad de los iones de litio mejora significativamente con la matriz polimérica de PC y PAN. Estos polímeros también ofrecen una alta estabilidad frente al voltaje, lo que permite su aplicación con materiales activos de alto voltaje (por ejemplo, NMC811). Sin embargo, la inestabilidad frente al litio metálico limita el uso en contacto con el electrodo negativo y sugiere su aplicación exclusivamente en contacto con materiales de alto voltaje. Esto indica que debería proponerse otra química polimérica como matriz electrolítica.

En la mayoría de los casos, los polímeros ofrecen una conductividad iónica elevada cuando disminuye la viscosidad. Esto implica que las propiedades mecánicas deben mejorarse para evitar cortocircuitos. Cuando se mezclan polímeros de propiedades diferentes, uno de ellos aportará la conductividad, mientras que el otro garantizará la integridad mecánica; éste es el papel del PE y el PVDF.

Aun así, los polímeros tienen que enfrentarse al reto de los requisitos de la industria automovilística, sobre todo cuando se trata de aplicaciones a temperatura ambiente.

¿En qué dirección vamos?

Para alcanzar los requisitos fijados por la industria automovilística, ajustar las propiedades térmicas de los polímeros puede ser una opción: disminución de la cristalinidad y de la temperatura de transición vítrea. Esto puede lograrse aumentando el movimiento segmentario de la cadena mediante la adición de un tercer componente. La adición de plastificantes, aditivos, sales o nanopartículas inorgánicas ofrece una amplia gama de propiedades con las que jugar; la química y la concentración pueden ajustar drásticamente las propiedades finales.

En este sentido, la línea de investigación de electrolitos poliméricos ha diseñado una amplia galería de sales de litio, en las que se ha mejorado significativamente la conductividad iónica del litio y la interfaz del electrolito sólido.

Se habla de electrolitos compuestos/híbridos cuando se mezclan nanopartículas inorgánicas, polímeros y sales. En el proyecto europeo SAFELiMOVE, coordinado por CIC energiGUNE, se están diseñando electrolitos híbridos. El objetivo del proyecto es desarrollar una nueva tecnología de baterías de estado sólido para vehículos eléctricos que sea más segura, tenga mayor autonomía, menor tiempo de carga y sea más barata.

Como puede deducirse, un único polímero no puede cumplir todos los requisitos. La síntesis de polímeros es una herramienta útil para adaptar las propiedades de los electrolitos poliméricos. En CIC energiGUNE trabajamos en diferentes síntesis y estrategias para desarrollar un electrolito en estado sólido que cumpla los requisitos de las baterías que exige la industria automovilística para los vehículos eléctricos.