Un laboratorio francés explica la movilidad del litio en electrolitos muy concentrados para baterías

El Laboratoire Léon Brillouin de Francia destacó el 22 de octubre un estudio sobre cómo los electrolitos de agua en sal pueden conducir iones eficazmente incluso cuando el líquido se vuelve muy viscoso. Célia Doublet y sus coautores combinaron varias técnicas experimentales para investigar soluciones acuosas concentradas de bis(trifluorometanosulfonil)imida de litio, o LiTFSI. El artículo apareció en Journal of Physics: Energy el 8 de octubre; el anuncio posterior del laboratorio presenta esa investigación y no una batería recién fabricada.

Los experimentos estudiaron concentraciones desde 0,5 hasta 21 moles de sal por kilogramo de agua. Al aumentar la concentración en ese intervalo, los coeficientes de autodifusión del agua y del litio disminuyeron aproximadamente 18 veces, mientras que la difusión de los aniones TFSI cayó más de 35 veces. Estas comparaciones describen cambios en la movilidad molecular, no velocidades de carga de baterías ni aumentos de capacidad energética.

La diferencia indica que las distintas especies no experimentan del mismo modo la resistencia del líquido. Los investigadores interpretan sus mediciones como evidencia de regiones temporales ricas en agua dentro de una estructura circundante rica en aniones. El agua puede moverse rápidamente dentro de esas pequeñas regiones e intercambiarse entre ellas. La estructura se reorganiza con el tiempo y ofrece un mecanismo para que las especies pequeñas solvatadas mantengan movilidad pese al aumento de la viscosidad global.

El equipo midió viscosidad y conductividad junto con resonancia magnética nuclear de gradiente de campo pulsado y dispersión cuasielástica de neutrones. La RMN siguió las especies a distancias mayores, mientras que los neutrones estudiaron movimientos mucho más cortos. Los experimentos utilizaron SHARPER, IN16B e IN13 en el Institut Laue–Langevin de Francia y FOCUS en el Instituto Paul Scherrer de Suiza. El análisis distinguió autodifusión de largo alcance, movimiento traslacional localizado y rotación molecular, en vez de atribuir toda la movilidad a un único proceso.

La preparación de muestras fue importante porque LiTFSI absorbe humedad fácilmente. Los investigadores secaron la sal durante una noche al vacío a 120°C, desgasificaron el agua con argón y prepararon las soluciones en una caja de guantes con argón. Las mediciones de RMN de la rama de temperatura elevada cubrieron 25–45°C. La viscosidad se midió generalmente entre 5 y 50°C, con limitaciones a baja temperatura para las soluciones más concentradas por precipitación de la sal. Son condiciones experimentales, no límites de funcionamiento recomendados para baterías comerciales.

El estudio comparó también mediciones de neutrones con y sin polarización aplicada de 1 voltio, sin encontrar cambios detectables en la dinámica del agua examinada por ese montaje. Los autores subrayan que el experimento midió principalmente el volumen del electrolito: la contribución de su delgada región interfacial era demasiado pequeña para resolverse. El resultado no demuestra que los campos eléctricos carezcan de efectos en las interfaces de los electrodos o en condiciones diferentes.

Según los autores, los parámetros dinámicos obtenidos pueden ayudar a restringir simulaciones de dinámica molecular, incluidas las asistidas por aprendizaje automático. La aportación es una explicación del transporte en un sistema electrolítico concreto, respaldada experimentalmente. Proporciona información para diseñar y modelizar materiales; el rendimiento comercial todavía requiere evidencia separada sobre celdas completas, durabilidad de ciclos, costes y escala de fabricación.