Los iones de litio se agrupan en los electrolitos de las baterías

Durante mucho tiempo, los científicos de baterías dieron por sentado que los iones de litio se desplazan por el líquido del interior de una celda prácticamente solos. Un equipo de la Universidad de Columbia afirma ahora que a menudo no es así. En un estudio publicado en Nature, los investigadores comprobaron que hasta el 40 % de los iones de litio presentes en los electrolitos estándar se agrupan en clústeres de múltiples iones, y que esta agrupación aumenta a medida que sube la concentración de sal.

El electrolito es el líquido que transporta los iones de litio entre los electrodos de una batería. También impulsa la formación de la interfase de electrolito sólido, una fina película protectora en el ánodo que determina tanto la duración de la batería como su seguridad. Hasta ahora, la estructura a escala atómica que hay detrás de esa película era difícil de precisar. El estudio fue dirigido conjuntamente por Richard Friesner, del Departamento de Química de Columbia, junto con Alexander Urban, Lauren Marbella y Daniel Steingart, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Las simulaciones se basaron en tecnología de campos de fuerza basada en aprendizaje automático proporcionada por Schrödinger Inc., con el apoyo del Centro de Biología Estructural de Nueva York.

Las simulaciones mostraron que los iones de litio se agrupan incluso sin aniones, los iones cargados negativamente que se suponía que eran necesarios para formar esas agrupaciones. Los cálculos de química cuántica indican que estos clústeres de litio múltiple se reducen con especial facilidad, es decir, captan electrones con rapidez. Esto los convierte en candidatos probables para los pasos intermedios que construyen la película protectora, que los investigadores describen como crítica para la longevidad y la seguridad.

Las simulaciones fueron solo la mitad del trabajo. La escuela de ingeniería de Columbia realizó experimentos, y el equipo informa de que sus simulaciones de aprendizaje automático concordaron en gran medida con una amplia gama de datos experimentales sobre sistemas en fase condensada. Friesner subrayó que confirmar en el laboratorio la química predicha fue extremadamente difícil. Se trata de un resultado de laboratorio que aún no se ha convertido en un electrolito comercial.

Para los químicos de baterías que diseñan electrolitos de nueva generación, los clústeres ofrecen un objetivo concreto: un modelo de lo que ocurre a escala atómica, que, según los autores, puede orientar el trabajo sobre rendimiento, estabilidad y velocidades de carga. El equipo sostiene que estas conclusiones podrían dar lugar a baterías de mayor capacidad, de carga más rápida y de mayor duración, pero no ofrece un calendario para que eso llegue a un producto. Friesner sostiene además que la misma combinación de simulación y experimentación podría ayudar en biología y ciencia de materiales en general.