Elektrolito polimerikoen ikerketa lerroak polietileno oxidoan anioien mugikortasuna murrizteko estrategia berri bat aurkitu du, horretarako eter taldeekin funtzionalizatutako anioiak erabiliz. Lorpen horrek elektrolito polimeriko solidoen potentzial guztia gaitu lezake, gaur egungo litio ioi bateriak baino bateria seguruago eta dentsitate energetiko handiagokoak bideragarri eginez.

Behin eta berriro kargatu/deskargatu daitezkeen bateriak funtsezkoak dira erregai fosilekiko mendekotasuna gainditzeko. Gaur egun erabiltzen diren litio ioizko bateriek elektrolito likidoak eta tartekatze bidezko grafitozko anodoak erabiltzen dituzte.

Osagai horiek ordea, mugatu egiten dute bateria horien errendimendua, aplikazio-eremu geroz eta zabalago batean erabilgarriak izatea galeraziz. Alde batetik, karbonatoz egindako elektrolito likidoak sukoiak dira eta ihesak izan ditzakete (beraz, ez dira seguruak). Bestetik, grafitozko anodoek ez dute kapazitate nahikorik, eta horrek energia handiko aplikazioetan erabilera mugatzen du.

Horregatik, baterietarako material berriak bilatzea ikerketa-eremu oso aktiboa da.

Elektrolito polimeriko solidoak litiozko gatz batez eta polimerozko matrize elastiko batez osatuta daude, eta elektrolito likidoen alternatiba bideragarritzat hartzen dira. Gainera, egoera solidoko litio eroale horiek oso ezaugarri desiragarriak dituzte eskala handiko fabrikazioari begira.

Lehenik eta behin, oso moldagarriak dira, eta horri esker, material arruntetarako irisgarriak ez diren geometrietan egoki fabrika daitezke. Bigarrenik, material plastikoen berezko prozesatze-erraztasuna eskaintzen dute. Azkenik, fabrikazioak kostu txikia izan ohi du, eta horrek haien aplikazio komertzialerako aukera ematen du.

Gainera, elektrolito polimeriko solidoak ez dira elektrolito likidoak bezain erreaktiboak Li metalikoarekin kontaktuan. Ezaugarri horri esker, litio metalikoa erabil daiteke dentsitate energetiko handiko anodo gisa. Izan ere, litio metalikoa anodo ideal bat da, kapazitate espezifiko oso handia, dentsitate txikia eta potentzial elektrokimiko txikia dituelako.

Horregatik guztiagatik, elektrolito polimeriko solidoek litio baterien segurtasun eta dentsitate energetikoaren mugak gainditzeko aukera ematen dute.

Elektrolito polimeriko solidoak Michel Armandek proposatu zituen lehen aldiz 1978an, egoera solidoko litio metalezko baterien kontzeptuaren baitan. Ordutik, material horiek sakon aztertu dira, eta automobilgintzan aplikatzera iritsi dira. Esate baterako, Bolloré Bluecar ® eta Bluebus ® ibilgailu elektrikoak zerbitzu publikoko ibilgailu gisa erabili dira Parisen, Indianapolisen eta Singapurren. Teknologia horren bideragarritasunaren adibide garbia da hori.

Edonola ere, oinarrizko arazo batzuk konpondu behar dira elektrolito polimeriko solidoen potentzial guztia azaleratu aurretik. Bereziki, material horiek karga-eraginkortasun txikia dute ziklatzean. Gainera, giro-tenperaturan maila praktikoan arriskutsuak diren litiozko dendritak kontrolik gabe eratzen dira. Horrek bizitza-denbora laburrak, matxura malkartsuak eta baterien segurtasun-arazoak dakartza, eta horrek guztiak zaildu egiten du beren merkaturatzea.

Arazo horiek konpontzeko modu bat da espezie anionikoen mugikortasuna minimizatzea matrize polimerikoan. Horrek bateriaren karga- eta deskarga-prozesuan agertzen diren kontzentrazio-gradienteak murrizten ditu, litiozko metaletik hurbil anioiak murriztea, eta ondorioz dendritak sortzea saihestuz.

Azken urteotan, anioien mugikortasuna murrizteko hainbat metodo proposatu dira. Hala ere, ikusi da metodo horiek guztiek muga praktiko batzuk dakartzatela.

Adibidez, mugikortasun anioniko txikia, normalean, eroankortasun totala murriztearen ondorioz lortzen da. Horren arrazoia kate polimerikoen mugikortasun txikiagoa da, anioiei atxikitzeko erabiltzen diren agente zurrunak daudelako. Alternatiba gisa, beste metodo batzuek polimero edo partikula inorganikoen tratamendu kimiko neketsuak proposatzen dituzte anioia finkatzeko, bere prozesagarritasuna nabarmen gutxitzen duena.

Elektrolito polimerikoen propietateak modulatzeko beste modu bideragarri bat anioien egiturazko aldaketa da. Estrategia honi jarraituz, CIC energiGUNEren elektrolito polimerikoen ikerketa lerroak elektrolito polimeriko solidoetan karga negatiboak finkatzeko modu berri bat aurkitu du. Labur esanda, eter taldeekin funtzionalizatutako anioiak (EFA, ingelesezko siglengatik) erabiltzean datza, anioiari hanka luzeko igel baten antzeko forma ematen diotenak.

Bis(trifluoromethanesulfonyl)imida (TFSI) polietileno oxidoan (PEO) oso anioi mugikorra da. Aipaturiko PEO hau, azken lau hamarkadetan asko erabili den matrize polimerikoa da. Aldiz, EFA anioiaren "hankek", anioiaren eta PEOaren artean erakarpen-elkarrekintzak  nozitzea eragin dezakete, Angewandte Chemie International Edition-en 58. liburukiaren 35. zenbakiaren kontrazalean ikus daitekeen bezala. Ondorioz, anioien mugikortasuna nabarmen murrizten da, litio ioien eroankortasuna era aipagarrian kaltetu gabe.

Litio ioien garraio selektibo honek, Li metalezko anodo bat erabiltzean ziklatze egonkor bat ahalbidetzen du. Hau, Li || LiFePO4 bateria batean frogatzea lortu da.

Gainera, fabrikazioaren ikuspuntutik, EFA-PEO elektrolito polimeriko solidoak egonkortasun termiko ona du, eta prozesatzeko erraztasuna izatea espero da.

Azken batean, ezaugarri horiek oso garrantzitsuak dira egoera solidoko litiozko bateriak garatzeko, litio ioien eroankortasun handiko eta anioi-mugikortasun txikiko elektrolito polimeriko solidoak lortzeko estrategia eraginkor eta eskalagarria eskainiz.

Egilea: Javier Carrasco, CIC energiGUNEko ikerketa modelizatu eta simulazio konputazionaleko taldeko burua