Un nuevo indicador para diseñar baterías de litio más eficientes

Un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Osaka y Daikin Industries, Ltd. identificó un nuevo indicador crucial para el diseño de baterías avanzadas de iones de litio. Este descubrimiento se centra en el potencial químico de los iones de litio en el electrolito, que mide cuán "incómodos" se sienten estos iones dentro del electrolito de una batería. Este potencial químico determina de manera cuantitativa si una batería puede ser cargada y descargada de forma reversible.

El artículo titulado "Electrolyte Li⁺ Chemical Potential Correlates with Graphite Negative Electrode Reactions in Lithium-Ion Batteries" fue publicado en Advanced Materials. Este hallazgo abre la puerta a un cambio en el desarrollo de baterías, pasando de un enfoque de prueba y error a un proceso de diseño racional basado en datos, lo que promete baterías más seguras y de alto rendimiento.

Las baterías de iones de litio son fundamentales en la sociedad moderna, alimentando desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. Para mejorar su rendimiento, los investigadores han estado buscando nuevos electrolitos, que son el medio líquido que transporta los iones. Sin embargo, un gran desafío ha sido la falta de una guía clara para predecir si un nuevo electrolito funcionará bien con los electrodos negativos de grafito comúnmente utilizados en estas baterías, lo que ha convertido el desarrollo de electrolitos en un proceso empírico complicado.

El equipo de investigación reveló que la clave radica en el potencial químico de los iones de litio en un electrolito. Para que una batería se cargue correctamente, los iones de litio deben moverse desde el electrolito hacia el electrodo de grafito. Este proceso ocurre con éxito solo cuando los iones de litio son suficientemente inestables en el electrolito, es decir, cuando su potencial químico es alto. Este nuevo indicador proporciona un estándar numérico claro para determinar la idoneidad de un electrolito, eliminando la incertidumbre del proceso. Además, demostraron que un nuevo solvente de éter fluorinado, diseñado con base en este concepto, permite un excelente rendimiento de la batería.

Este descubrimiento permite un diseño racional y altamente eficiente de nuevos electrolitos. Al integrar el potencial químico de los iones de litio en la informática de materiales, los investigadores pueden predecir el rendimiento de nuevos materiales, acelerando drásticamente el proceso de desarrollo. Esto acelerará las mejoras en el rendimiento, la vida útil y la seguridad de las baterías utilizadas en infraestructuras sociales críticas, como vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía renovable y fuentes de alimentación ininterrumpida para centros de datos.

El Dr. Yasuyuki Kondo, autor principal del estudio, afirmó: "En este estudio, hicimos más que descubrir un nuevo material. Identificamos el factor que realmente gobierna las reacciones de carga y descarga en las baterías de iones de litio. Esperamos que nuestros hallazgos aceleren la investigación y el desarrollo de baterías en el futuro y contribuyan a resolver los desafíos energéticos y económicos del mundo".

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