Nuevos electrolitos para baterías del futuro: un avance clave en la investigación

Un reciente estudio computacional publicado en el Journal of Molecular Liquids realizó importantes aportes al desarrollo de baterías seguras y de alto rendimiento al investigar compuestos que pueden ser utilizados como electrolitos en baterías de sodio. Este trabajo fue llevado a cabo por un equipo de investigadores del Centro de Innovación en Nuevas Energías (CINE), que se estableció en 2018 y está vinculado a la Universidad Estatal de Campinas (UNICAMP), la Universidad de São Paulo (USP) y la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), con la colaboración de ocho instituciones brasileñas y de la Universidad de Bonn en Alemania.

Las baterías de sodio se basan en un elemento abundante en la Tierra, lo que las convierte en una opción prometedora para almacenar energía excedente de parques solares y eólicos. Su funcionamiento se basa en el movimiento de iones de sodio entre los electrodos de la batería y a través del electrolito durante los ciclos de carga y descarga.

Los compuestos más estudiados para conducir estos iones en el electrolito son los líquidos iónicos, una clase de sales que existen en estado líquido a temperatura ambiente. Estos compuestos son buenos conductores de iones y no son inflamables, lo que ofrece alta seguridad para las baterías. Sin embargo, la adición de iones de sodio a estos líquidos incrementa su viscosidad, lo que reduce la movilidad de los iones y empeora el rendimiento del electrolito.

Para superar esta limitación, los investigadores del CINE examinaron una serie de electrolitos basados en dos tipos de líquidos iónicos: los aproticos, que son los más utilizados en la investigación de electrolitos, y los proticos, que son más económicos y fáciles de producir, aunque han recibido poca atención. La idea fue añadir sal de sodio a estos compuestos para mejorar la movilidad de los iones.

"El objetivo principal de este trabajo fue evaluar el efecto de aumentar la concentración de sal de sodio en un electrolito basado en un líquido iónico protico y su análogo que contiene un líquido iónico aprotico", resumió Tuanan da Costa Lourenço, investigador postdoctoral en el CINE en el Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP) y autor correspondiente del artículo.

Para llevar a cabo el estudio, el equipo realizó simulaciones de dinámica molecular, un método computacional que describe las interacciones de átomos y moléculas. Utilizando decenas de computadoras en red y software avanzado, los autores resolvieron las complejas ecuaciones matemáticas involucradas en las simulaciones.

Los resultados mostraron que aumentar la concentración de sal de sodio cambia la forma en que los iones en el líquido iónico se organizan e interactúan entre sí. El estudio también demostró que la magnitud de este cambio depende de la estructura molecular de los iones y de si el líquido iónico es protico o aprotico.

"Además, observamos que a altas concentraciones de sal de sodio, hay una disminución en las fuerzas de interacción entre el ion de sodio y el anión del electrolito, lo que puede ser beneficioso para el rendimiento de la batería", afirmó Lourenço.

Colaboración internacional

Uno de los objetivos del programa de Diseño de Materiales Computacionales (CMD) del CINE es seleccionar electrolitos prometedores para las baterías del futuro. Juarez Lopes Ferreira da Silva coordina el programa y coautorizó el artículo. El proyecto involucró a miembros del programa de la USP y al grupo de investigación de Barbara Kirchner en la Universidad de Bonn. Kirchner se especializa en modelar sistemas grandes y complejos que involucran líquidos y sus interfaces, y es coautora del artículo.

"La colaboración no solo permitió profundizar la discusión y las conclusiones obtenidas, sino que también resultó en el desarrollo de nuevas herramientas, mejoras en los modelos utilizados y nuevas colaboraciones", comentó Lourenço, quien pasó 15 meses trabajando en el estudio en el grupo de Kirchner.

El equipo científico continúa la investigación a través de un segundo estudio que busca entender cómo modular las interacciones entre iones en líquidos iónicos para optimizar el rendimiento de las baterías.