Un nuevo electrolito sólido mejora la movilidad de iones de litio a temperatura ambiente

Las baterías de litio-metal están ganando atención como la próxima generación de baterías de alta energía, esperadas para reemplazar a las actuales baterías de iones de litio. Sin embargo, su comercialización ha sido complicada debido al alto riesgo de incendio asociado con el uso de electrolitos líquidos inflamables.

Como alternativa, se han propuesto electrolitos sólidos orgánicos con flexibilidad, pero su lenta tasa de transferencia de iones de litio a temperatura ambiente limita su aplicación práctica. Un equipo de investigadores de Corea del Sur logró desarrollar un electrolito sólido que mejora la movilidad de los iones de litio en 100 veces y que funciona a temperatura ambiente.

El equipo de investigación, liderado por el profesor Hye Ryung Byon del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), en colaboración con el equipo del profesor Chang Yun Son de la Universidad Nacional de Seúl, desarrolló una nueva película de electrolito sólido orgánico que opera de manera estable incluso a temperatura ambiente.

El estudio fue publicado en la revista Advanced Energy Materials.

El equipo fabricó un electrolito sólido de aproximadamente una quinta parte del grosor de un cabello humano utilizando un nuevo material llamado marco orgánico covalente (COF), que tiene una estructura porosa con agujeros dispuestos uniformemente.

El electrolito COF desarrollado presenta una estructura cristalina porosa similar a la del marco orgánico metálico (MOF), que ganó el Premio Nobel de Química en 2025, pero con una estabilidad química significativamente mejorada en el entorno operativo de la batería.

El equipo organizó meticulosamente grupos funcionales que transportan iones de litio a intervalos regulares, diseñando la estructura para que los iones de litio, que anteriormente solo se movían a altas temperaturas, pudieran moverse rápidamente a lo largo de estos grupos funcionales incluso a temperatura ambiente. Esto implementó una estructura de electrolito sólido donde la ruta de migración de los iones de litio puede ser controlada con precisión a nivel molecular.

Específicamente, el equipo de investigación introdujo un grupo funcional sulfonado dual en los nanoporos para facilitar la fácil separación (disociación) y movimiento de los iones de litio, creando un canal que permite a los iones de litio moverse rápidamente a lo largo de la ruta lineal más corta. Simulaciones de dinámica molecular (MD) confirmaron que esta estructura reduce la energía requerida para el movimiento de los iones de litio, permitiendo una migración rápida con menos energía y un funcionamiento estable incluso a temperatura ambiente.

La película de electrolito fabricada se realizó mediante un método de autoensamblaje, resultando en una superficie muy suave y una estructura uniforme. En consecuencia, se adhiere perfectamente al electrodo de metal de litio, permitiendo que los iones se muevan de manera más estable al viajar entre los electrodos.

Como resultado, el electrolito desarrollado mostró una velocidad de migración de iones de litio de 10 a 100 veces más rápida que los electrolitos sólidos orgánicos convencionales. Cuando se aplicó a una batería de fosfato de hierro de litio basada en metal de litio, mantuvo más del 95% de su capacidad inicial incluso después de 300 ciclos de carga/descarga, demostrando una alta estabilidad con casi ninguna pérdida de energía (eficiencia coulómbica del 99.999%).

El profesor Hye Ryung Byon declaró: "Esta investigación representa un avance en la comercialización de baterías de litio-metal al realizar un electrolito sólido orgánico capaz de una rápida migración de iones de litio incluso a temperatura ambiente. Combinándolo en una forma híbrida con electrolitos sólidos inorgánicos podría mejorar los problemas de estabilidad interfacial".