En la búsqueda de una soberanía energética eficiente y segura, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) ha dado a conocer un posible descubrimiento que transforma por completo la industria de las baterías y del almacenamiento de la energía. Investigadores del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han alcanzado la clave para que se puedan diseñar electrolitos poliméricos «superiónicos», capaces de transportar iones hasta 10 000 millones de veces más rápidos que el entorno en el que vuelan.
Superando el dilema de los electrolitos: Líquidos frente a sólidos
Las baterías tradicionales se sustentan en el empleo de electrolitos líquidos o similares a geles que permiten que los iones se desplacen desde y hacia el cátodo y el ánodo en los ciclos de carga y descarga. No obstante, la búsqueda de densidades energéticas más altas y de mayor seguridad ha alzado el interés a nivel internacional hacia las baterías de estado sólido.
Hasta el momento, el mayor desafío que había era que los materiales sólidos suelen ser quebradizos, pero también presentan normalmente alta resistencia interna que reduce el flujo de iones. El grupo de investigación de Oak Ridge, coordinado por Catalin Gainaru, ha encontrado la forma de que un material polimérico sea capaz de conseguir un estado superiónico sin los inconvenientes de las cerámicas, que son difíciles para fabricar en finas películas y no presentan buena adherencia a los electrodos.
Los polímeros, cadenas moleculares largas, presentan la flexibilidad necesaria para posibilitar la fabricación industrial a gran escala. El nuevo electrolito creado en el ORNL utiliza segmentos polares que favorecen la inclusión de sales de litio para que surjan caminos de elevada movilidad que proveen de carga ultrarrápida. Tal mejora no solo incrementa el rendimiento de los dispositivos electrónicos portátiles, sino que es clave para la viabilidad de los vehículos eléctricos de gran autonomía.
El diseño molecular de «puntos dulces» y zwitteriones
El avance técnico más importante consiste en el diseño específico de la estructura del polímero por adición de grupos moleculares denominados zwitteriones. Estos tienen cargas positivas y negativas de un modo simultáneo, es decir, facilitan un aumento de la polaridad local sin que ello modifique la carga neutra de la macromolécula. Los científicos se dieron cuenta de que, si se funcionalizaba el 80 % de las unidades de la generación del polímero utilizando estos grupos, los iones se autoorganizan en los canales para el transporte continuo.
Para explicar este comportamiento, los científicos establecen la analogía con una cena: en primer lugar, los iones forman pequeños grupos de conversación aislados. Luego, al llegar al grado óptimo de concentración, las conversaciones se funden en un murmullo cohesivo que permite que el flujo iónico siga de una forma uniforme, sin que se detenga. Cuando se hace un exceso de zwitteriones, este murmullo cohesivo se desorganiza y el transporte de iones se desacelera nuevamente. Este «punto dulce» del 80 % es el que permite que los iones «salten» de un lado a otro con suficiente eficacia, el cual era un método que anteriormente se consideraba imposible para un material sólido flexible.
Supercomputación en Oak Ridge
Este proyecto ha sido financiado por la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del DOE como parte del Centro FaCT. Para conseguir la transferencia de este descubrimiento del laboratorio a la producción comercial, Oak Ridge planea aprovechar su supercomputación y la robótica autónoma acoplada con inteligencia artificial para modelizar y simular los mecanismos primordiales que determinan este comportamiento sobresaliente. Estas herramientas permitirán anticipar el comportamiento del material con condiciones extremas de uso industrial.
El Dr. Tomonori Saito apuntó a que cualquier tecnología que necesite una barrera impermeable que deje pasar libremente iones, como las celdas de combustible o las baterías de flujo, se beneficia de esta tecnología.