Son numerosas las investigaciones enfocadas hacia la búsqueda de nuevos conductores iónicos, electroquímicamente estables, que posibiliten un mejor funcionamiento de las baterías recargables. Las baterías que contienen electrolitos orgánicos son más económicas y fáciles de fabricar; sin embargo, otras aplicaciones que necesitan de una temperatura de funcionamiento extrema, pueden beneficiarse de la introducción de materiales que muestren una conducción rápida.
Baterías recargables de ion-litio
Los electrolitos sólidos inorgánicos ofrecen ventajas y desventajas importantes con respecto a los electrolitos líquidos y poliméricos. Por soportar temperaturas elevadas se pueden utilizar en baterías de estado sólido, además son materiales conductores de iones individuales, lo que significa que solamente los iones Li+ tienen una movilidad apreciable, mientras que los aniones y otros cationes forman un esqueleto rígido.
El hecho de eliminar el gradiente de concentración aniónica a través del electrolito, puede ayudar a suprimir las reacciones adversas, o reacciones de descomposición, que puede sufrir el electrolito. Sin embargo, se hace necesario seguir investigando, con el fin de conseguir minimizar, por ejemplo, el producto de la resistividad del electrolito y de su espesor, de forma que a través del electrolito sólido tenga lugar un transporte rápido de iones Li+.
Algunas de las baterías recargables de ion-litio que han comenzado ya a aparecer en el mercado están compuestas de cátodos de LiCoO2, electrolitos poliméricos y ánodos de grafito altamente densificados. Presentan además una superficie pequeña para minimizar los fenómenos de pasivación que también les afectan. Pueden recargarse hasta 2500 veces, y gracias a su bajo precio, constituyen la mejor alternativa en el mercado de la electrónica de consumo.
No obstante, las baterías de ion-litio muestran aún importantes defectos debidos a su frágil estructura, entre éstos pueden citarse: que requieren un circuito de seguridad para mantener los límites de voltaje máximo y mínimo, se degradan con el tiempo, debiéndose almacenar en lugar frío al 40 % de su carga, muestran capacidad de descarga moderada, son más caras que otro tipo de baterías. Por último cabe indicar, que forman parte de una tecnología que se encuentra actualmente en estudio progresivo.
Algunas de las investigaciones llevadas a cabo hoy en día, están centradas en la preparación y estudio de ortofosfatos nanoestructurados y compuestos relacionados, que son susceptibles de presentar conducción iónica rápida, lo que permite poder estudiar su potencial de utilización como electrolitos sólidos.
Investigaciones realizadas sobre ortofosfatos no nanoestructurados, encuentran que los valores de conductividad medidos en el interior de los granos constitutivos de esos materiales, son mucho más altos que los que se miden en la frontera existente entre los granos. La investigación desarrollada, está impulsada por el deseo de encontrar materiales con propiedades y características mejoradas, en base a su posterior aplicación en nuevas baterías de estado sólido.
Hoy en día, son numerosos los artículos científicos en los que se buscan y se estudian tipos estructurales diferentes o nuevas composiciones, con el fin de encontrar nuevos electrolitos sólidos de iones rápidos. Para conseguir esos objetivos, se ensayan rutas de síntesis avanzadas, que permitan influir en la microestructura de los compuestos preparados y conseguir una orientación favorable de las fronteras de grano, de modo que la presencia de dichas fronteras afecte lo menos posible a su conductividad.
Investigaciones recientes que abordan temas de este tipo, se enfocan hacia la preparación de materiales electródicos nanoparticulados y/o nanoestructurados, persiguiendo esencialmente dos objetivos, el primero, intentar mejorar la conductividad intra e inter granular, y el segundo, poder fabricar electrolitos composites de utilidad en baterías de estado sólido. De esta manera, el método de spray pirolisis permite, por ejemplo, obtener materiales nanoestructurados con morfología esférica, estrecha distribución de tamaño de partícula y homogeneidad composicional.
El enfoque actual de la investigación en electrolitos sólidos y numerosas publicaciones relativas a la investigación y al desarrollo tecnológico de las baterías de ion litio, siguen centrando su atención, en estudios que permitan una mejora del uso de los electrolitos poliméricos, de los geles y de los electrolitos composites. Aunque son aún los electrolitos líquidos los que se siguen utilizando en la mayoría de estudios electroquímicos rutinarios. Sin embargo, sólo un porcentaje mínimo de contribuciones abordan el potencial de utilización de los electrolitos cerámicos.
Ciertamente, las baterías que contienen electrolitos orgánicos son más baratas, más fáciles de fabricar y, sí se controla la capa de interfase electrolito-sólido formada y las interfases electrolito-electrodo, se logra una buena ciclabilidad. El consumidor de baterías de ion litio es probable que continúe utilizando los electrolitos orgánicos.
Sin embargo, otras aplicaciones que requieren una temperatura extrema de funcionamiento −alta o baja−, máxima vida útil, descarga insignificante y contactos extremadamente delgados, pueden beneficiarse de la introducción de electrolitos cerámicos. Algunos grupos de investigación abordan la síntesis de electrodos laminares, utilizando electrolitos cerámicos y vidrios en conjunción con electrolitos líquidos o poliméricos. El compuesto Li3PO4 embebido ha sido utilizado como separador de membranas o como cátodo en fibras, asimismo, también litio metálico embebido en vidrios se ha utilizado como material para ánodos.
Por otra parte, la mayoría de las investigaciones realizadas actualmente en electrolitos cerámicos, distan mucho de una inmediata aplicación práctica de estos materiales. Faltan estudios que evalúen la estabilidad electroquímica de muchos de los electrolitos sintetizados e informes de diferentes técnicas de fabricación, que pongan énfasis en el espesor óptimo que ha de tener la capa del electrolito.
Del mismo modo, se hace necesario analizar, sí la introducción de electrolitos cerámicos o vidrios en las capas de un polímero, puede eliminar la formación de dendritas, inhibir las reacciones químicas de disolución que tienen lugar en los electrodos de las baterías y, sí debido a una mejor difusión en electrodos composites, se reducen los gradientes de concentración.
Finalmente, puede también resultar interesante en el futuro, estudiar sí la introducción de materiales nanoestructurados en electrolitos poliméricos, para dar origen a un electrolito composite, puede resultar de utilidad en las baterías de estado sólido.
Mejorar el funcionamiento de las baterías de estado sólido, la preparación y el estudio de electrolitos poliméricos, a los que se ha añadido materiales nanoestructurados, y la introducción de electrolitos cerámicos y vidrios, en las capas de un electrolito polimérico, son algunos de los retos que se plantean hoy en día los investigadores.
