LiFSI en el diseño de electrolitos para baterías de litio: desventajas y estrategias de mejora
| Jerry Huang
Resumen
El bis(fluorosulfonil)imida de litio (LiFSI) se considera la sal de litio de próxima generación para reemplazar al hexafluorofosfato de litio (LiPF₆) en los electrolitos de baterías de iones de litio y de litio metálico. Su excelente estabilidad térmica, alta conductividad iónica y resistencia a la hidrólisis lo hacen particularmente atractivo para aplicaciones de carga rápida y temperaturas extremas. Sin embargo, varios desafíos críticos —principalmente la corrosión del colector de corriente de aluminio, los altos costos de producción, la inestabilidad de la interfase cátodo-electrolito (CEI) y las preocupaciones sobre la seguridad térmica— dificultan su adopción generalizada. Este artículo ofrece un análisis exhaustivo de estas desventajas y revisa las últimas estrategias de mejora publicadas en la literatura hasta 2026.
1. Introducción
La transición global hacia baterías de litio de alta densidad energética —con el objetivo de alcanzar >300 Wh kg⁻¹ para vehículos eléctricos— ha impuesto exigencias sin precedentes al rendimiento de los electrolitos. Los electrolitos convencionales basados en LiPF₆, si bien predominan en las celdas comerciales, presentan una baja estabilidad térmica (se descomponen por encima de ~80 °C), una elevada sensibilidad a la hidrólisis (generando HF corrosivo) y una conductividad insuficiente a bajas temperaturas. Estas deficiencias se agravan especialmente en escenarios de carga rápida, donde las altas corrientes generan un calentamiento óhmico significativo que lleva al electrolito más allá de su rango de estabilidad.
El LiFSI (LiN(SO₂F)₂) se ha consolidado como una alternativa prometedora. El anión FSI⁻ presenta una carga negativa altamente deslocalizada entre dos grupos sulfonilo, lo que resulta en una baja energía reticular, una alta disociación y, por consiguiente, una conductividad iónica superior, típicamente entre un 15 % y un 30 % mayor que la del LiPF₆ a 25 °C (~10,2 mS cm⁻¹). Su temperatura de descomposición térmica supera los 200 °C y su resistencia a la hidrólisis es notablemente superior a la del LiPF₆. Estas propiedades han convertido al LiFSI en un aditivo estándar —y cada vez más en una sal principal— en formulaciones de electrolitos de carga rápida.
Sin embargo, tras esta promesa se esconden importantes retos de ingeniería que deben resolverse antes de que el LiFSI pueda sustituir por completo al LiPF₆ a gran escala.
2. Principales desventajas de LiFSI
2.1 Corrosión del colector de corriente de aluminio
La limitación más crítica y estudiada de las baterías de iones de litio (LiFSI) es su incompatibilidad con el colector de corriente de lámina de aluminio (Al) utilizado en el lado del cátodo de las celdas de iones de litio.
Mecanismo. En los electrolitos convencionales de LiPF₆, el anión PF₆⁻ se descompone a potenciales elevados (>4,0 V frente a Li/Li⁺) para formar una fina capa pasivante de fluoruro de aluminio (AlF₃) sobre la superficie de Al. Esta película es insoluble en disolventes orgánicos y previene eficazmente la corrosión. En cambio, el anión FSI⁻ no genera una capa de pasivación estable. En su lugar, el FSI⁻ ataca la película nativa de Al₂O₃, lo que provoca corrosión por picaduras y, bajo ciclos prolongados, una disolución del sustrato de Al similar a la osteoporosis.
Dependencia del voltaje y la temperatura. La corrosión se agrava notablemente a potenciales elevados (>4,3 V) y temperaturas elevadas (>55 °C). Los iones Al³⁺ disueltos pueden migrar a través del electrolito hacia el ánodo, donde participan en reacciones parásitas, un fenómeno conocido como "degradación por diafonía" que acelera la pérdida de capacidad y el aumento de la impedancia.
Vulnerabilidad del acero inoxidable. Más allá del aluminio, un trabajo reciente de Yan et al. (Nature Communications, 2026) ha demostrado que el FSI⁻ también puede desestabilizar la capa de óxido pasiva en los colectores de corriente de acero inoxidable (SUS), causando una disolución severa del metal en condiciones de ciclo de alto voltaje.
2.2 Alto costo de producción
El LiFSI sigue siendo significativamente más caro que el LiPF₆. A finales de 2025, el precio de mercado del LiFSI era de aproximadamente 250 000 RMB/tonelada (equivalente a unos 25 USD/kg a granel), aproximadamente el doble que el del LiPF₆ (unos 130 000 RMB/tonelada). El coste de producción oscila entre 120 000 y 200 000 RMB/tonelada, debido a:
• Síntesis compleja en múltiples etapas que involucra reacciones de fluoración, sulfonación e imidación con estrictos requisitos de pureza.
• Bajo rendimiento general debido a reacciones secundarias y a la dificultad de eliminar impurezas traza (por ejemplo, cloruro residual, humedad).
• Los elevados costes del tratamiento medioambiental —aproximadamente 10.000 RMB por tonelada de residuos— se deben a los subproductos que contienen flúor y a los efluentes ácidos.
En las formulaciones de electrolitos donde el LiFSI constituye una fracción cada vez mayor del contenido de sal (algunos electrolitos de carga rápida utilizan LiFSI como sal principal), el costo de la sal puede representar más del 60 % del costo total de fabricación del electrolito, lo que convierte la reducción de costos en una barrera crítica para la adopción a gran escala.
2.3 Inestabilidad de la interfase cátodo-electrolito (CEI) y agrietamiento del cátodo
La vía de descomposición del FSI⁻ difiere fundamentalmente de la del TFSI⁻ o el PF₆⁻. En condiciones oxidantes en la superficie del cátodo, los enlaces S–F del FSI⁻ pueden romperse, generando especies como SO₂ y diversos fragmentos de fluorosulfonato. La película CEI resultante tiende a ser mecánicamente frágil y a ofrecer una protección insuficiente a altos voltajes.
Tong et al. (Materials Today, 2025) informaron que los electrolitos a base de LiFSI pueden inducir microfisuras en las láminas de los electrodos del cátodo, particularmente en óxidos laminares con alto contenido de níquel (NMC811, NCA). Estas fisuras exponen la superficie del cátodo al electrolito, lo que desencadena una descomposición continua del electrolito, la disolución de metales de transición y el aumento de la impedancia, creando un ciclo de degradación autoacelerado.
2.4 Comportamiento de fuga térmica en sistemas de carga rápida
Aunque el LiFSI en sí mismo es térmicamente estable (inicio de descomposición >200 °C), el comportamiento de fuga térmica de los sistemas electrolíticos basados en LiFSI difiere de las formulaciones convencionales de LiPF₆. Una investigación publicada en RSC Energy & Environmental Science (2025) reveló que, tras ciclos prolongados de carga rápida, las celdas basadas en LiFSI presentan perfiles de generación de calor y patrones de desprendimiento de gases alterados. Los productos de descomposición, incluidos SO₂ y HF, siguen cinéticas de liberación diferentes, y los límites de seguridad térmica de la celda deben reevaluarse en lugar de simplemente extrapolarse a partir de los sistemas basados en LiPF₆.
2.5 Problemas de compatibilidad con ánodos basados en silicio
Si bien el LiFSI contribuye a la formación de una capa SEI rica en LiF inorgánico —lo cual suele ser beneficioso para la robustez mecánica—, la enorme expansión volumétrica de los ánodos de silicio (~300 %) durante la litiación provoca la fractura y reformación repetidas de la capa SEI. Esto conlleva un consumo continuo de electrolito, una baja eficiencia coulómbica inicial y una rápida pérdida de capacidad durante ciclos prolongados. La interacción entre los productos de descomposición del LiFSI y las superficies de silicio requiere un diseño cuidadoso del electrolito para lograr una estabilidad a largo plazo.
3. Estrategias de mejora
3.1 Mitigación de la corrosión del aluminio
3.1.1 Sistemas electrolíticos de sales duales y múltiples
El enfoque más avanzado industrialmente combina LiFSI con LiPF₆ en una formulación de doble sal. El anión PF₆⁻ proporciona la capa de pasivación AlF₃ esencial sobre el colector de corriente de aluminio, mientras que el LiFSI aporta su conductividad y estabilidad térmica superiores. Kautz et al. (Journal of The Electrochemical Society, 2026) demostraron un electrolito de doble sal LiFSI–LiPF₆ optimizado con una estructura de solvatación controlada que exhibió una excelente estabilidad de ciclado en un amplio rango de temperaturas, desde temperaturas bajo cero hasta temperaturas elevadas.
3.1.2 Aditivos a base de borato
Las sales de borato de litio —en particular el difluoro(oxalato)borato de litio (LiDFOB) y el bis(oxalato)borato de litio (LiBOB)— han demostrado ser altamente eficaces como aditivos inhibidores de la corrosión. Estos compuestos se oxidan preferentemente en la superficie del aluminio, formando una película protectora que previene el ataque de FSI⁻. Cabe destacar que Yan et al. (Nature Communications, 2026) demostraron que la adición de LiDFOB suprime simultáneamente la disolución del aluminio y del acero inoxidable en electrolitos a base de LiFSI, ofreciendo un mecanismo de doble protección.
3.1.3 Ingeniería de la estructura de solvatación
Un enfoque más fundamental implica reestructurar la capa de solvatación de Li⁺ para limitar el acceso de FSI⁻ a la superficie de Al. Las estrategias incluyen:
• Electrolitos de alta concentración (HCE) : A concentraciones de sal muy altas (>3 M), el número de moléculas de disolvente libres se reduce drásticamente y los aniones FSI⁻ se coordinan estrechamente con Li⁺, lo que limita su actividad frente a la corrosión del Al.
• Disolventes de éter fluorado : Los diluyentes fluorados como el TTE (éter 1,1,2,2-tetrafluoroetil-2,2,3,3-tetrafluoropropílico) y alternativas más recientes como el HFTEP reducen la descomposición oxidativa del electrolito al tiempo que modifican el entorno de solvatación para proteger el colector de corriente.
• Estructuras de solvatación de doble anión : Se ha demostrado que la introducción de cosolventes como el dimetil éter de tetraetilenglicol (TEGDME) junto con LiNO₃ permite construir una estructura de solvatación de Li⁺ de doble anión estable. El TEGDME ayuda a coordinar el FSI⁻ lejos de la superficie de Al, mientras que el LiNO₃ mejora las interacciones ión-dipolo Li⁺-solvente y genera una película de pasivación rica en nitrógeno en la superficie del litio metálico. Esta estrategia dual logró una retención de capacidad del 89,6 % después de 400 ciclos a 55 °C.
3.1.4 Aditivos de líquidos iónicos
Se han explorado líquidos iónicos que contienen aniones como DFOB⁻ y PO₂F₂⁻ para abordar simultáneamente la pérdida de litio y la corrosión del aluminio. En celdas de litio metálico sin ánodo que operan a altos voltajes, estos aditivos facilitan la formación de interfases protectoras tanto en la superficie del cátodo como en la del colector de corriente.
3.2 Reducción de costes
• Optimización del proceso : Se están desarrollando la síntesis en flujo continuo, métodos de purificación mejorados y rutas asistidas por catalizadores para aumentar el rendimiento y reducir la generación de residuos.
• Ampliación de la escala y maduración de la cadena de suministro : a medida que se expande la capacidad de producción, especialmente en China, donde los principales fabricantes de electrolitos están invirtiendo en líneas de producción de LiFSI, se espera que las economías de escala reduzcan la diferencia de precio con LiPF₆.
• Formulaciones de sales mixtas : El uso de LiFSI como sustituto parcial (por ejemplo, fracción molar del 20 al 50 %) en lugar de como sustituto total reduce el coste de la sal por celda, manteniendo la mayoría de las ventajas de rendimiento.
3.3 Estabilización de la interfase cátodo-electrolito
3.3.1 Sistemas de disolventes fluorados
Los disolventes fluorados han demostrado ser muy prometedores para mejorar la estabilidad de los electrolitos líquidos iónicos (CEI). Liu et al. (Nature Energy, 2026) demostraron un electrolito líquido iónico fluorado híbrido en el que un catión altamente fluorado interactúa sinérgicamente con aniones y diluyentes para aumentar la estabilidad oxidativa, lo que permite un ciclado fiable a voltajes superiores a 4,5 V.
3.3.2 Sistemas de disolventes a base de sulfonamidas
Un enfoque innovador desarrollado por Xue et al. (Universidad Xi'an Jiaotong, publicado en Advanced Materials, 2025) introdujo un electrolito de sulfonamida mixta compuesto por sal de LiFSI y dos disolventes de sulfonamida, sin necesidad de aditivos adicionales. Este electrolito forma una interfase densa, rica en componentes inorgánicos y autolimitante en los ánodos de silicio durante la primera litiación. En condiciones exigentes (corte de 4,5 V, capacidad superficial de 5 mAh cm⁻²), las celdas tipo bolsa NMC811||high-Si lograron una retención de capacidad del 80 % después de 1150 ciclos, en comparación con solo 383 ciclos con el electrolito industrial convencional.
3.4 Abordar la seguridad térmica
• Gestión térmica a nivel de sistema : Los sistemas de gestión térmica de las baterías deben recalibrarse para los electrolitos basados en LiFSI, teniendo en cuenta sus distintas temperaturas de inicio de fuga térmica y perfiles de evolución de gases.
• Ajuste de la formulación del electrolito : Ajustar las proporciones de disolventes e incorporar aditivos ignífugos (por ejemplo, compuestos que contienen fósforo) puede modular el comportamiento térmico sin comprometer la conductividad iónica.
• Caracterización mediante calorimetría de velocidad acelerada (ARC) : Es fundamental realizar pruebas exhaustivas de fuga térmica específicas para cada formulación de LiFSI, en lugar de basarse en la extrapolación de los valores de referencia de LiPF₆.
3.5 Mejora de la compatibilidad del ánodo de silicio
• Ingeniería de electrolitos para una SEI robusta : Combinación de LiFSI con sales complementarias y sistemas de disolventes a medida para formar una SEI que permita la expansión de volumen manteniendo el transporte iónico.
• Estrategias de prelitiación y SEI artificial : Complementar el inventario de litio y preformar una capa de interfase mecánicamente flexible puede compensar la inestabilidad inicial de la SEI asociada con LiFSI en superficies de silicio.
• Ingeniería de electrolitos para la regulación de la SEI en ánodos de Si : Un trabajo reciente (OAE Publishing, EnergyZ, 2026) ha demostrado que la combinación de éter diglicidílico de etilenglicol (EGDE) con LiFSI aumenta la accesibilidad de los aniones al adaptar la coordinación de Li⁺, mejorando así la estabilidad de la SEI en partículas de silicio a escala micrométrica.
4. Resumen y perspectivas
Desafío 1 : Corrosión del colector de corriente de Al Causa : El FSI⁻ no pasiva la superficie de Al Solución óptima : Sal dual LiFSI + LiPF₆ + aditivo LiDFOB Madurez : Adopción industrial
Desafío 2 : Alto costo de producción Causa : Síntesis compleja, bajo rendimiento, tratamiento de residuos Mejor mitigación actual : Ampliación de escala + optimización del proceso + sales mezcladas Madurez : En curso
Desafío 3 : Inestabilidad de la interfaz de electrolito sólido (CEI) / agrietamiento del cátodo Causa : Ruptura del enlace S–F a alto voltaje Mejor mitigación actual : Disolventes fluorados, electrolitos de sulfonamida Madurez : Validación de laboratorio
Desafío 4 : Riesgo de fuga térmica Causa : Alteración de las vías de descomposición bajo carga rápida Mejor mitigación actual : Gestión térmica a nivel de sistema + caracterización de ARC Madurez : Etapa temprana
Desafío 5 : Incompatibilidad del ánodo de Si Causa : Fractura de la capa SEI bajo expansión de volumen Mejor mitigación actual : Electrolitos de sulfonamida mixta, aditivos EGDE Madurez : Validación de laboratorio
La trayectoria de la investigación sobre LiFSI está pasando de la mitigación pasiva (protección mediante aditivos) al diseño molecular activo: la ingeniería de la estructura de solvatación, la coordinación de aniones y la química interfacial para eliminar fundamentalmente las condiciones que dan lugar a la corrosión y la inestabilidad. Gracias a los continuos avances en la formulación de electrolitos y la ampliación de la producción, el LiFSI está evolucionando de un aditivo de alta gama para sistemas de carga rápida a una sal de litio primaria viable de próxima generación.
En los próximos años, es probable que converjan tres tendencias: (1) la maduración de formulaciones de sales duales y múltiples que equilibran costo y rendimiento; (2) la aparición de nuevos sistemas de solventes (sulfonamidas, éteres fluorados, líquidos iónicos) que abordan los desafíos de la interfaz de electrolitos de litio (CEI) y la corrosión desde su origen molecular; y (3) la continua reducción de los costos de producción de LiFSI mediante la innovación de procesos y la expansión de la capacidad. En conjunto, estos avances sitúan al LiFSI en el centro de la próxima gran evolución en la tecnología de electrolitos para baterías de litio.
Referencias
[E1] Yan, P. et al. "Mecanismo y mitigación de la disolución del acero inoxidable en electrolitos a base de LiFSI." Nature Communications , 2026.
[E2] Liu, Q. et al. "Electrolito líquido iónico fluorado híbrido para baterías de litio metálico de alto voltaje." Nature Energy , 2026.
[E3] Kautz, DJ et al. "Electrolito avanzado de LiFSI–LiPF₆ para aplicaciones de carga rápida y amplio rango de temperaturas." Journal of The Electrochemical Society , 2026.
[E4] Tong, L. et al. "El auge del bis(fluorosulfonil)imida de litio: una sal de litio eficiente para baterías de próxima generación." Materials Today , 2025.
[E5] Zhang, M. et al. "Desafíos, estrategias y perspectivas en las interfaces entre electrolitos de estado sólido y electrodos." EnergyZ (OAE Publishing) , 2026.
[E6] Chen, Y. et al. "Química de la corrosión del aluminio en baterías de litio metálico de alto voltaje con electrolitos de éter basados en LiFSI." ACS Applied Materials & Interfaces , 2024.
[E7] Jang, T. et al. "Efectos de las estructuras de solvatación de Li⁺ en la corrosión del aluminio en electrolitos de éter fluorado." PubMed , 2025.
[E8] Scheer, KM et al. "Disolución anódica del colector de corriente de aluminio en celdas de iones de litio con LiFSI, LiPF₆ y LiBF₄." Journal of The Electrochemical Society , 2025.
[E9] Xue, W. et al. "Electrolito de sulfonamida mixta para baterías de iones de litio de larga duración." Advanced Materials , 2025.
[E10] "El mecanismo de fuga térmica de las baterías de iones de litio de carga rápida que utilizan electrolitos basados en LiFSI." RSC Energy & Environmental Science , 2025.
[E11] Zhang, SS "Desvelando el misterio del LiFSI como una sal única en electrolitos de concentración baja a moderada". Journal of Energy Chemistry , 2022.
[E12] "Evolución de los electrolitos: una hoja de ruta desde la estructura de solvatación hasta las baterías de próxima generación." Nano-Micro Letters (Springer) , 2026.
[E13] "Ingeniería de electrolitos para la regulación de SEI en ánodos de Si en baterías de Li." EnergyZ (OAE Publishing) , 2026.