Las baterías comerciales actuales de iones de litio utilizan electrolitos orgánicos líquidos, que tienen ventajas significativas (alta conductividad y excelente humectabilidad en las superficies de los electrodos). Sin embargo, los inconvenientes obvios e inevitables de los electrolitos líquidos son las inestabilidades electroquímicas y los riesgos potenciales, además de la baja selectividad de iones. En comparación con los electrolitos líquidos, los electrolitos sólidos tienen una mayor seguridad y estabilidad térmica. ^2,3

Por ello, los electrolitos sólidos que pueden superar estos problemas han atraído cada vez más atención en las últimas décadas y han sido considerados como un avance importante para garantizar sistemas de baterías de litio seguros y duraderos que utilizan un ánodo de metal de litio.2 Existen además varios tipos de electrolitos sólidos.

Tipos de electrolitos de estado sólido

• Electrolitos sólidos inorgánicos
Los electrolitos sólidos inorgánicos tienen una conductividad iónica relativamente alta, alta estabilidad térmica, alta resistencia mecánica y no inflamabilidad. Se pueden dividir en: óxidos, sulfuros y otros. Muchos investigadores han investigado nuevos electrolitos sólidos inorgánicos para reemplazar electrolitos líquidos inflamables o mejorar el rendimiento de los electrolitos sólidos existentes. 1, 6
Los electrolitos sólidos inorgánicos de óxidos tienen una alta estabilidad química y electroquímica, resistencia mecánica y voltaje de oxidación. Sin embargo, los electrolitos sólidos inorgánicos de sulfuro poseen conductividades iónicas más altas que los electrolitos los de óxido debido a la sustitución isovalente del oxígeno por azufre de mayor polarizabilidad. Además, los hidruros compuestos se consideran electrolitos sólidos inorgánicos confiables debido a su resistencia, alta estabilidad al metal de litio, alta resistencia mecánica y alta flexibilidad. ¹

• Electrolitos sólidos poliméricos
En comparación con los electrolitos sólidos inorgánicos, los sólidos poliméricos muestran ventajas prometedoras, como un proceso de fabricación más simple, una mayor flexibilidad, una mayor estabilidad química y una compatibilidad satisfactoria con los electrodos. ¹
Los electrolitos de polímero de gel tienen las ventajas más significativas, como por ejemplo su forma moldeable, ya que el gel es una forma intermedia de líquido y sólido que exhibe tanto la estabilidad y flexibilidad de los sólidos como la difusividad de los líquidos. Por otro lado, los electrolitos sólidos poliméricos con perovskita son conocidos por tener una buena estabilidad a voltajes altos. No obstante, sus condiciones de preparación son muy estrictas y su conductividad iónica es bastante baja. ^{8, 9}
La celulosa es un material natural, no tóxico, económico y ecológico con alta resistencia mecánica y una gran superficie específica. Debido a sus propiedades únicas, la celulosa no solo puede mejorar las propiedades mecánicas de los polímeros en electrolitos, sino también obstaculizar el crecimiento de las dendritas de litio que actúan como una barrera física. Además, la adición de rellenos cerámicos también puede mejorar en gran medida tanto su rendimiento como su resistencia mecánica y estabilidad. ^{3, 7}

Propiedades de los electrolitos de estado sólido
Para la aplicación en dispositivos de almacenamiento de energía, los electrolitos sólidos muestran varias ventajas en comparación con los electrolitos líquidos. Sus propiedades principales son: seguridad, flexibilidad, elasticidad o capacidad de estiramiento, portabilidad y autorreparación. ¹
• Seguridad. Las buenas propiedades mecánicas de los electrolitos sólidos pueden resistir la presión externa y la perforación, reduciendo así la posibilidad de cortocircuito en los dispositivos de almacenamiento de energía. Además, su alta estabilidad térmica permite que los dispositivos de almacenamiento de energía soporten altas temperaturas.
• Flexibilidad. Los electrolitos sólidos poliméricos no solo resuelven el problema de seguridad causado por la fuga de los electrolitos líquidos, sino que también son capaces de flexionarse y plegarse debido a su alta flexibilidad.
• Elasticidad. Los componentes rígidos en los dispositivos pueden ser reemplazados por materiales elásticos. Es más, los electrolitos de polímero de gel con alta capacidad de estiramiento son ampliamente investigados para fabricar dispositivos elásticos de almacenamiento de energía.
• Portabilidad. Los dispositivos de almacenamiento de energía en forma de fibra 1D se pueden tejer en textiles para adaptarse mejor al cuerpo humano, lo que lo hace más atractivo para la electrónica portátil.
• Autorreparación. Los dispositivos de almacenamiento de energía sufren inevitablemente tensiones debido a diferentes tipos de deformaciones. Después de un largo período de acumulación, estos dispositivos pueden dañarse, lo cual deteriora su vida útil y fiabilidad. Por ello, los dispositivos de almacenamiento de energía pueden tener la capacidad de autorreparar las interfaces agrietadas.

Selección de materiales
• Matrices poliméricas
Con el rápido desarrollo de las baterías de litio, aunque es difícil que los electrolitos poliméricos de un solo componente cumplan con todos los requisitos al mismo tiempo, la investigación sobre las estructuras químicas básicas de las matrices de polímeros de un solo componente puede proporcionar una base sólida y direcciones claras para ayudar a explorar electrolitos basados en polímeros multicomponente con un buen rendimiento.
El polioxietileno (PEO) con alto peso molecular se ha explorado ampliamente como matriz polimérica para baterías polimétricas de litio debido a sus buenas propiedades mecánicas y su buena compatibilidad con electrodos. Por otro lado, el poliacrilonitrilo (PAN) posee una excelente estabilidad electroquímica, una amplia ventana electroquímica, buena estabilidad térmica y una considerable resistencia mecánica. Además, el alto potencial de resistencia a la oxidación de los electrolitos de PAN los hace adaptables a los materiales del cátodo de alto voltaje para lograr una alta densidad de energía. Los policarbonatos alifáticos (APC) también han demostrado ser buenas matrices poliméricas alternativas para los electrolitos en estado sólido, al igual que los poliacrilatos (PA), los cuales poseen buenas compatibilidades interfaciales y son rentables económicamente. ^{1, 4}
• Matrices poliméricas diseñadas
Los electrolitos sólidos con base de polímeros (PSE) con matrices poliméricas modificadas pueden reducir las regiones poliméricas cristalinas sin separación de fases, mejorando así su conductividad iónica. Además, la introducción de cadenas rígidas o la construcción de polímeros de red pueden mejorar la resistencia de los PSE, lo que puede reducir el crecimiento de las dendritas de Li.
Al añadir un copolímero, se pueden lograr mejores propiedades mecánicas y una conductividad iónica decente para electrolitos basados en copolímeros en condiciones ambientales. La reticulación de estos polímeros puede aumentar además el módulo de almacenamiento dinámico de los electrolitos poliméricos y mejorar tanto su estabilidad térmica como su resistencia a la tracción.
Una red polimérica interpenetrante (IPN) contiene dos o más redes poliméricas reticuladas distintas sin enlaces covalentes entre ellas. Debido a las estructuras parcialmente entrelazadas inherentes, las redes IPN no se pueden separar a menos que se rompan los enlaces químicos, lo que mejora significativamente la estabilidad dimensional y la compatibilidad entre las dos fases inmiscibles. Los dominios cristalinos en un IPN se reducen a casi ninguno, lo cual es altamente beneficioso para mejorar la conducción de iones. ¹

Aplicaciones de los electrolitos en estado sólido
El rápido desarrollo de los electrolitos de polímeros sólidos (PSE) impulsa el avance de baterías de litio de alto rendimiento para aplicaciones prácticas. A continuación, se va a hablar de los avances recientes en: la aplicación de PSE en baterías de iones de litio de estado sólido, baterías de litio-azufre y baterías de litio flexibles. ¹⁰
• Baterías de litio. Las baterías de iones de litio (LIB) son tecnologías que tienen muchas posibles aplicaciones. Adopción de las PSE para reemplazar los electrolitos líquidos actuales ofrecería numerosos beneficios para las LIBs, como por ejemplo: la mejora de sus propiedades mecánicas, su seguridad, su vida útil, el aumento de la densidad de energía y el potencial de utilizar un ánodo de metal de litio de capacidad alta.
• Baterías de litio-azufre. Las baterías de litio-azufre (LSB) han sido ampliamente consideradas como uno de los candidatos más prometedores para los sistemas de almacenamiento de energía de próxima generación. Esto se debe a su alta densidad de energía y al uso del azufre abundante, barato y ecológico que pueden conseguir. En comparación con el gran éxito comercial de las LIB, la aplicación práctica de las LSB todavía se ve obstaculizada por varios factores.
• Baterías de litio flexible. Con el avance de la electrónica flexible y portátil, las baterías flexibles como fuente de energía son esenciales para esta tecnología emergente.
• Supercondensadores flexibles. Los supercondensadores flexibles incluyen tanto electrodos flexibles y electrolitos de estado sólido. Los electrolitos líquidos no se pueden utilizar para proporcionar supercondensadores flexibles debido a sus fugas y falta de elasticidad. Como resultado, los electrolitos líquidos son reemplazados por electrolitos sólidos o semisólidos.⁵

[1] L. L. Y. Z. Tingting Ye, «Recent progress in solid electrolytes for energy storage devices,» Advanced functional marerials, Nanjing, China, 2 de Marzo de 2020.
[2] X. L. H. B. W. H. L. Xiaoyan Liu, «Recent progress of hybrid solid-state electrolytes for lithium batteries,» Chemistry European Journal, Zhejiang, China, 2018.
[3] H. Y. Z. D. Y. L. J. L. M. L. J. W. X. L. Penghui Yao, «Review on polymer-based composite electrolytes for lithium bateries,» Frontiers in chemistry, Shenzen, China, 8 de Agosto de 2019.
[4] A. M. Xingwen Yu, «A review of composite polymer-ceramic electrolytes for lithium batteries,» Energy storage materials, Austin, Estados Unidos, 5 de Octubre 2020.
[5] S. G. M. K. K. S. M. S. Kabeer Nasrin, «Redox-additives in aqueous, non-aqueous, and all-solid-state electrolytes for carbon-based supercapacitor: a mini-review,» Enerfy & Fuels, 35(8), 6465-6482, Tamil Nadu, India, 2021.
[6] C. M. J. A. M. K. Z. Mogalahalli V. Reddy, «Sulfide and oxide inorganic solid electrolytes for all-solid-state Li batteries: a review,» Centre of excellence in transportation electrification and energy storage (CETEES), Montreal, Canadá, 15 de Agosto 2020.
[7] L. W. Y. C. P. W. H. Z. X. H. Jingnan Feng, «PEO based polymer-ceramic hybrid solid electrolytes: a review,» Nano convergence, Beijing, China, 10 de Enero 2021.
[8] J. Y. P. H. H. Z. Wenjia Zhao, «Solid-state electrolytes for lithium-ion batteries: fundamentals, challenges and perspectives,» Electrochemical energy reviews, Zhejiang, China, 12 de Agosto 2019.
[9] S. M. S. H. A. F. S. Saeideh Alipoori, «Review of PVA-based gel polymer electrolytes in flexible solid-state supercapacitors: opportunities and challenges,» Journal of energy storage, 27(2020) 101072, Tehran, Iran, 9 de Noviembre 2019.
[10] Z. W. L. S. J. Z. K. E. J. M. S. Y. Fei Lv, «Challenges and development of composite solid-state electrolytes for high-performance lithium ion batteries,» Journal of power sources 441 (2019) 227175, Jiaxing, China. Uppsala, Suecia., 18 de Septiembre 2019.