PSI aumenta la eficiencia de las baterías de iones de litio con un nuevo revestimiento protector
El trifluorometano es un gas que se produce como subproducto en la fabricación de plásticos como el PTFE, el PVDF y la espuma y tiene la fórmula química CHF3. En el laboratorio, el director del proyecto, Mario El Kazzi, del Centro de Ciencias Energéticas y Medioambientales del PSI, y su equipo iniciaron una reacción a 300 grados Celsius entre el trifluorometano y la fina capa de carbonato de litio que cubre la superficie de los cátodos.
Esto convierte el litio de la capa límite en fluoruro de litio (LiF). En este proceso, los átomos de litio del material del cátodo permanecen como iones. Estos iones de litio deben poder ir y venir entre el cátodo y el ánodo, el polo negativo, durante la carga y la descarga para que la capacidad de la batería no se vea mermada durante el funcionamiento posterior, explica el ISP.
En un paso posterior, el equipo del PSI comprobó la eficacia de la capa protectora realizando pruebas electroquímicas a altas tensiones de funcionamiento. El resultado: la capa protectora se mantuvo estable incluso a altas tensiones. Protege tan bien el material del cátodo que son posibles tensiones de funcionamiento de 4,5 e incluso 4,8 voltios.
En comparación con las pilas con cátodos sin protección, las pilas recubiertas tuvieron un rendimiento significativamente mejor en todos los parámetros importantes. Por ejemplo, la impedancia, o resistencia, de los iones de litio en la interfaz del cátodo, fue alrededor de un 30% menor tras cien ciclos de carga y descarga que en las baterías con cátodos sin tratar. "Esto es una clara señal de que nuestra capa protectora minimiza el aumento de la resistencia causado por las reacciones interfaciales que se producirían de otro modo", explica Mario El Kazzi.
La nueva capa protectora ayuda a mantener la capacidad de la pila. Por ejemplo, la retención de la capacidad de una batería con el cátodo revestido fue superior al 94% tras 100 ciclos de carga y descarga sin disminución de la velocidad de carga, mientras que la batería sin tratar sólo alcanzó el 80%.
Por tanto, el nuevo proceso de recubrimiento debería permitir aumentar la densidad energética de diversos tipos de baterías: "Podemos partir de la base de que nuestro revestimiento protector de fluoruro de litio es universal y puede utilizarse con la mayoría de los materiales de cátodo", subraya El Kazzi. "Por ejemplo, también funciona con baterías de alto voltaje ricas en níquel y litio".
También se espera que el nuevo proceso contribuya a la protección del clima. Esto se debe a que el trifluorometano es un gas de efecto invernadero muy eficaz y más de 10.000 veces más perjudicial para el clima que el dióxido de carbono, por lo que nunca debería liberarse a la atmósfera. Para El Kazzi, convertirlo en una fina capa protectora uniforme de LiF sobre la superficie de los materiales catódicos es una solución eficaz para monetizar el gas haciéndolo formar parte de una economía circular. Con el nuevo proceso de recubrimiento, el trifluorometano puede reciclarse y ligarse a largo plazo como capa protectora en cátodos de alto voltaje.
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