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2021-03-19Cómo evitar los cortocircuitos en las baterías de litio de nueva generación

MIT |Los nuevos descubrimientos podrían ayudar a liberar el potencial de las baterías de litio de alta potencia y electrolito sólido.

A medida que los investigadores van ampliando los límites del diseño de las baterías, tratando de obtener mayores cantidades de potencia y energía en un determinado espacio o peso, una de las tecnologías más prometedoras que se están estudiando son las baterías de iones de litio que utilizan un material electrolítico sólido entre los dos electrodos, en lugar del típico líquido.

Sin embargo, este tipo de baterías han sufrido la tendencia a que se formen proyecciones metálicas en forma de rama, llamadas dendritas, en uno de los electrodos, que acaban puenteando el electrolito y provocando un cortocircuito en la célula de la batería. Ahora, investigadores del MIT y de otros centros han encontrado una forma de evitar la formación de estas dendritas, lo que podría liberar el potencial de este nuevo tipo de batería de alta potencia.

Los hallazgos se describen en la revista Nature Energy, en un artículo elaborado por el estudiante de posgrado del MIT Richard Park, los profesores Yet-Ming Chiang y Craig Carter, y otras siete personas del MIT, la Universidad de Texas A&M, la Universidad de Brown y la Universidad Carnegie Mellon.

Las baterías de estado sólido, explica Chiang, han sido una tecnología largamente buscada por dos razones: la seguridad y la densidad energética. Pero, dice, "la única manera de alcanzar las densidades de energía que interesan es si se utiliza un electrodo metálico". Y aunque es posible acoplar ese electrodo metálico con un electrolito líquido y seguir obteniendo una buena densidad de energía, eso no proporciona la misma ventaja de seguridad que un electrolito sólido, dice.

Las baterías de estado sólido sólo tienen sentido con electrodos metálicos, dice, pero los intentos de desarrollar este tipo de baterías se han visto obstaculizados por el crecimiento de las dendritas, que acaban por cubrir el hueco entre las dos placas de los electrodos y provocar un cortocircuito, debilitando o inactivando esa célula de la batería.

Se sabe que las dendritas se forman más rápidamente cuando el flujo de corriente es mayor, lo que suele ser deseable para permitir una carga rápida. Hasta ahora, las densidades de corriente que se han logrado en las baterías experimentales de estado sólido han estado muy lejos de lo que se necesitaría para una batería comercial recargable práctica. Pero la promesa merece la pena, dice Chiang, porque la cantidad de energía que puede almacenarse en las versiones experimentales de estas pilas ya es casi el doble de la de las baterías de iones de litio convencionales.

El equipo resolvió el problema de las dendritas adoptando un compromiso entre los estados sólido y líquido. Fabricaron un electrodo semisólido, en contacto con un material electrolítico sólido. El electrodo semisólido proporcionaba una especie de superficie autorregenerativa en la interfaz, en lugar de la superficie frágil de un sólido que podría dar lugar a pequeñas grietas que proporcionan las semillas iniciales para la formación de dendritas.

La idea se inspiró en las baterías experimentales de alta temperatura, en las que uno o ambos electrodos están formados por metal fundido. Según Park, primer autor del trabajo, las temperaturas de cientos de grados de las baterías de metal fundido nunca serían prácticas para un dispositivo portátil, pero el trabajo demostró que una interfaz líquida puede permitir altas densidades de corriente sin formación de dendritas. "La motivación aquí fue desarrollar electrodos basados en aleaciones cuidadosamente seleccionadas para introducir una fase líquida que pueda servir como componente autocurativo del electrodo metálico", dice Park.

El material es más sólido que líquido, explica, pero se parece a la amalgama que utilizan los dentistas para rellenar una cavidad: metal sólido, pero capaz de fluir y moldearse. A las temperaturas ordinarias a las que funciona la pila, "se mantiene en un régimen en el que hay una fase sólida y otra líquida", en este caso hecha de una mezcla de sodio y potasio. El equipo demostró que era posible hacer funcionar el sistema con una corriente 20 veces mayor que utilizando litio sólido, sin que se formaran dendritas, dice Chiang. El siguiente paso fue replicar ese rendimiento con un electrodo real que contuviera litio.

En una segunda versión de su batería sólida, el equipo introdujo una capa muy fina de aleación líquida de sodio y potasio entre un electrodo sólido de litio y un electrolito sólido. Demostraron que este enfoque también podía superar el problema de las dendritas, proporcionando un enfoque alternativo para futuras investigaciones.

Según Chiang, los nuevos enfoques podrían adaptarse fácilmente a muchas versiones diferentes de baterías de litio de estado sólido que están siendo investigadas por investigadores de todo el mundo. Dice que el siguiente paso del equipo será demostrar la aplicabilidad de este sistema a una variedad de arquitecturas de baterías. El coautor Viswanathan, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, afirma: "Creemos que podemos trasladar este enfoque a cualquier batería de iones de litio de estado sólido. Creemos que podría utilizarse inmediatamente en el desarrollo de celdas para una amplia gama de aplicaciones, desde dispositivos de mano hasta vehículos eléctricos y aviación eléctrica."

"La penetración del metal a través de los separadores de electrolitos sólidos es un reto clave al que se enfrentan las baterías de alta densidad energética, y hasta la fecha se ha prestado mucha atención a las propiedades del material del separador a través del cual penetra el metal", afirma Paul Albertus, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Maryland, que no ha participado en esta investigación. Señalando que el nuevo trabajo se centra en cambio en las propiedades del propio electrodo metálico, dice que la investigación "es importante tanto para establecer prioridades científicas para entender la penetración del metal, como para desarrollar innovaciones que ayuden a mitigar este importante modo de fallo".

En el equipo también participaron Christopher Eschler, Cole Fincher y Andres Badel, del MIT; Pinwen Guan, de la Universidad Carnegie Mellon; y Brian Sheldon, de la Universidad Brown. El trabajo ha contado con el apoyo del Departamento de Energía de EE.UU., la Fundación Nacional de la Ciencia y el programa MIT-Skoltech Next Generation.

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