Un separador de celulosa y zeolita eleva un 42% la capacidad útil de las baterías de litio-metal a alta potencia
Las baterías de litio-metal, una de las vías más prometedoras para aumentar la densidad energética del almacenamiento, tienen un punto débil: pierden mucha capacidad cuando se les exige una descarga rápida y sufren la formación de dendritas. Un equipo de la Universidad Nacional de Hanbat (Corea del Sur) ha atacado el problema desde un componente que no suele recibir atención, el separador, y ha conseguido elevar un 42% la capacidad mantenida en descargas a 4C, según los resultados publicados por el equipo investigador.
Un 42% más de capacidad cuando se exige potencia
El nuevo separador, denominado CBT y fabricado a partir de celulosa y bikitaíta (un tipo de zeolita), permite a las celdas de litio-metal conservar mucha más capacidad cuando se descargan a gran velocidad. A una tasa de descarga de 4C, las celdas equipadas con el nuevo material alcanzaron una capacidad de 163 mAh por gramo, frente a los 115 mAh/g de las baterías con separador convencional de polietileno.
El salto es especialmente relevante porque la diferencia se amplía conforme aumenta la exigencia. A 1C, ambas configuraciones ofrecen prácticamente el mismo resultado, alrededor de 197 mAh/g. A 2C, la capacidad de las celdas con CBT fue de 187 mAh/g, frente a los 165 mAh/g de las convencionales. Es a 4C donde la diferencia se hace mayor: 163 mAh/g frente a 115 mAh/g, aproximadamente un 42% más.
Un separador que controla el movimiento de los iones
El componente cumple la función básica de cualquier separador, mantener aislados ánodo y cátodo para evitar cortocircuitos, pero su estructura añade una función extra: facilita el movimiento de los iones de litio de un lado a otro de la celda. Esto permite que los iones se distribuyan de manera más rápida y uniforme, algo clave cuando la batería trabaja a gran potencia.
El efecto no se limita al ánodo de litio-metal. Las pruebas mostraron que el material también mejora el funcionamiento del cátodo NCM90, con elevado contenido de níquel, situado en el otro extremo de la batería. Las diferencias son pequeñas a baja velocidad, pero aumentan conforme se incrementa la exigencia.
Menos dendritas y mejor comportamiento en frío
Las observaciones realizadas durante el funcionamiento de las baterías no mostraron dendritas visibles en las celdas equipadas con CBT. En su lugar, el litio se depositó de forma más uniforme, formando una capa compacta, y también se retiró de manera más homogénea durante la descarga. Este comportamiento puede alargar la vida útil de las celdas, ya que evita que se consuma innecesariamente litio y electrolito, los materiales que permiten almacenar y transportar la carga.
Los resultados a largo plazo también fueron significativos. Cuando las baterías se cargaron a 2C y se descargaron a 4C, las celdas con el nuevo separador conservaron alrededor del 60% de su capacidad después de unos 2.500 ciclos. El material también mantuvo un comportamiento estable a bajas temperaturas: tras 150 ciclos a -25 grados centígrados, las celdas conservaron aproximadamente el 68,9% de su capacidad inicial, y el separador mantuvo su estructura a temperaturas de hasta 200 grados.
Una mejora que no obliga a rediseñar la celda
El interés del desarrollo reside también en su posible integración en futuras baterías. Para mejorar una celda mediante un nuevo ánodo o cátodo suele ser necesario modificar buena parte del proceso de fabricación. En cambio, los separadores ya son componentes habituales de las baterías y existen tecnologías comerciales, como los recubrimientos cerámicos, que se utilizan para mejorar sus prestaciones.
Los investigadores consideran que el estudio demuestra que el separador puede tener un papel mucho más importante del que se le ha atribuido tradicionalmente: no solo una barrera que mantiene separados los dos lados de la batería, sino una herramienta para controlar cómo se mueven los iones de litio y mejorar el funcionamiento de toda la celda. El trabajo se ha realizado en fase de investigación y será necesario comprobar su comportamiento en baterías de mayor tamaño y en formatos comerciales, como las celdas cilíndricas o las tipo pouch.
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