Sustituir el electrolito líquido de las baterías de litio recargables por una capa más fina y ligera de material cerámico sólido podría revolucionar la tecnología, según afirman los investigadores del MIT.
Además de reducir considerablemente el tamaño y el peso de las baterías, eliminaría los riesgos de seguridad asociados a los electrolitos líquidos, que son inflamables.
El trabajo del equipo también parece mostrar cómo abordar el problema de las dendritas: pequeñas protuberancias de metal que pueden formarse en la superficie del litio e impedir que la batería funcione.
El siguiente paso será intentar crear un prototipo de batería funcional.
Un descubrimiento de investigadores del MIT podría por fin abrir la puerta al diseño de un nuevo tipo de batería recargable de litio, más ligera, compacta y segura que las versiones actuales, en la que los laboratorios de todo el mundo llevan años trabajando.
La clave de este potencial salto en la tecnología de baterías consiste en sustituir el electrolito líquido situado entre los electrodos positivo y negativo por una capa de material cerámico sólido mucho más fina y ligera, y sustituir uno de los electrodos por litio metálico sólido. Esto reduciría notablemente el tamaño y el peso total de la batería y eliminaría el riesgo para la seguridad asociado a los electrolitos líquidos, que son inflamables. Pero esta búsqueda se ha visto lastrada por un gran problema: las dendritas.
Las dendritas, cuyo nombre procede del latín y significa ramas, son protuberancias de metal que pueden acumularse en la superficie del litio y penetrar en el electrolito sólido, acabando por atravesarlo de un electrodo al otro y provocar un cortocircuito en la celda de la batería. Los investigadores no han logrado ponerse de acuerdo sobre qué origina estos filamentos metálicos, y tampoco se ha avanzado mucho en cómo prevenirlos y, así, hacer de las baterías de estado sólido ligeras una opción práctica.
La nueva investigación, publicada hoy en la revista Joule en un artículo del profesor del MIT Yet-Ming Chiang, el estudiante de posgrado Cole Fincher y otras cinco personas del MIT y de la Universidad Brown, parece resolver la cuestión de qué causa la formación de dendritas. También muestra cómo se pueden evitar que las dendritas atraviesen el electrolito.
Chiang afirma que, en trabajos anteriores del grupo, hallaron un resultado «sorprendente e inesperado»: el material electrolítico sólido y duro que se emplea en una batería de estado sólido puede ser penetrado por el litio, un metal muy blando, durante los procesos de carga y descarga de la batería, mientras los iones de litio se desplazan entre los dos lados.
Este movimiento de vaivén de los iones provoca cambios en el volumen de los electrodos. Esto genera inevitablemente tensiones en el electrolito sólido, que debe permanecer en contacto total con los dos electrodos entre los que está intercalado. «Para depositar este metal, el volumen tiene que expandirse porque se está añadiendo nueva masa», explica Chiang. «Así que se produce un aumento de volumen en el lado de la celda donde se deposita el litio. Y si existen incluso defectos microscópicos, esto generará una presión sobre esos defectos que puede provocar grietas».
El equipo ha demostrado ahora que esas tensiones son las que causan las grietas que permiten que se formen las dendritas. La solución al problema resulta ser más tensión, aplicada en la dirección adecuada y con la fuerza justa.
Mientras que antes algunos investigadores pensaban que las dendritas se formaban por un proceso puramente electroquímico, y no mecánico, los experimentos del equipo demuestran que son las tensiones mecánicas las que causan el problema.
El proceso de formación de dendritas se produce normalmente en lo más profundo de los materiales opacos de la celda de la batería y no puede observarse directamente, por lo que Fincher desarrolló una forma de fabricar celdas finas con un electrolito transparente, lo que permite ver y registrar directamente todo el proceso. «Puedes ver qué ocurre cuando aplicas una compresión al sistema, y puedes ver si las dendritas se comportan de forma compatible con un proceso de corrosión o con un proceso de fractura», explica.
El equipo demostró que podía manipular directamente el crecimiento de las dendritas simplemente aplicando y liberando presión, lo que hace que las dendritas zigzaguean en perfecta alineación con la dirección de la fuerza.
Aplicar tensiones mecánicas al electrolito sólido no elimina la formación de dendritas, pero sí controla la dirección de su crecimiento. Esto significa que pueden dirigirse para que permanezcan paralelas a los dos electrodos y se impida que lleguen a cruzar al otro lado, con lo que quedan neutralizadas.
En sus pruebas, los investigadores utilizaron la presión inducida al doblar el material, que se había conformado como una viga con un peso en uno de sus extremos. Pero afirman que, en la práctica, podría haber muchas formas diferentes de producir la tensión necesaria. Por ejemplo, el electrolito podría fabricarse con dos capas de material con distintas dilataciones térmicas, de modo que el material se doble de forma inherente, como ocurre en algunos termostatos.
Otro enfoque sería «dopar» el material con átomos que quedarían incrustados en él, distorsionándolo y dejándolo en un estado de tensión permanente. Es el mismo método que se utiliza para producir el vidrio superresistente empleado en las pantallas de teléfonos inteligentes y tabletas, explica Chiang. Además, la presión necesaria no es extrema: los experimentos demostraron que presiones de entre 150 y 200 megapascales bastaban para impedir que las dendritas atravesaran el electrolito.
La presión necesaria es «comparable a las tensiones que se inducen habitualmente en los procesos comerciales de crecimiento de películas y en muchos otros procesos de fabricación», por lo que no debería ser difícil de implementar en la práctica, añade Fincher.
De hecho, a las celdas de las baterías se les aplica con frecuencia otro tipo de tensión, denominada presión de apilamiento, que consiste básicamente en comprimir el material en la dirección perpendicular a las placas de la batería, algo parecido a aplastar un sándwich poniendo un peso encima. Se pensaba que esto podría ayudar a evitar que las capas se separaran. Sin embargo, los experimentos han demostrado ahora que la presión en esa dirección en realidad agrava la formación de dendritas. «Hemos demostrado que este tipo de presión de apilamiento en realidad acelera el fallo inducido por dendritas», afirma Fincher.
Lo que se necesita, en cambio, es presión a lo largo del plano de las placas, como si el sándwich se apretara por los lados. «Lo que hemos demostrado en este trabajo es que, cuando se aplica una fuerza de compresión, se puede obligar a las dendritas a avanzar en la dirección de la compresión», afirma Fincher, y si esa dirección es paralela al plano de las placas, las dendritas «nunca llegarán al otro lado».
Esto podría hacer por fin viable la fabricación de baterías con electrolito sólido y electrodos de litio metálico. No solo permitirían acumular más energía en un volumen y peso dados, sino que eliminarían la necesidad de electrolitos líquidos, que son materiales inflamables.
Una vez demostrados los principios básicos implicados, el siguiente paso del equipo será intentar aplicarlos a la creación de un prototipo de batería funcional, explica Chiang, y después determinar exactamente qué procesos de fabricación serían necesarios para producir estas baterías en cantidad. Aunque han solicitado una patente, los investigadores no planean comercializar el sistema ellos mismos, afirma, ya que ya hay empresas que trabajan en el desarrollo de baterías de estado sólido. «Diría que esto supone una comprensión de los modos de fallo en las baterías de estado sólido que, creemos, la industria debe conocer e intentar utilizar para diseñar productos mejores», afirma.
El equipo de investigación incluye a Christos Athanasiou y Brian Sheldon, de la Universidad Brown, y a Colin Gilgenbach, Michael Wang y W. Craig Carter, del MIT. El trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, el Departamento de Defensa de Estados Unidos, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos y el Departamento de Energía de Estados Unidos.
