Un equipo del MIT ha diseñado un ánodo de litio metálico que podría mejorar la vida útil y la densidad energética de las baterías del futuro.
Una nueva investigación de ingenieros del MIT y de otras instituciones podría dar lugar a baterías capaces de almacenar más energía por kilogramo y durar más, gracias a la meta largamente perseguida de usar litio metálico puro como uno de los dos electrodos de la batería: el ánodo.
El nuevo concepto de electrodo procede del laboratorio de Ju Li, profesor Battelle Energy Alliance de Ciencia e Ingeniería Nuclear y profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Se describe hoy en la revista Nature, en un artículo del que son coautores Yuming Chen y Ziqiang Wang, del MIT, junto con otras 11 personas del MIT y de Hong Kong, Florida y Texas.
El diseño forma parte de un concepto para desarrollar baterías seguras de estado sólido, que prescinden del líquido o gel polimérico que suele utilizarse como electrolito entre los dos electrodos de la batería. Un electrolito permite que los iones de litio se desplacen de un lado a otro durante los ciclos de carga y descarga de la batería; una versión totalmente sólida podría ser más segura que los electrolitos líquidos, que son muy volátiles y han provocado explosiones en baterías de litio.
«Se ha trabajado mucho en baterías de estado sólido, con electrodos de litio metálico y electrolitos sólidos», afirma Li, pero estos esfuerzos se han enfrentado a varios problemas.
Uno de los mayores problemas es que, al cargarse la batería, los átomos se acumulan dentro del litio metálico y hacen que se expanda. Luego, cuando la batería se usa, el metal vuelve a contraerse durante la descarga. Estos cambios repetidos en las dimensiones del metal, algo parecidos al proceso de inhalar y exhalar, dificultan que los sólidos mantengan un contacto constante y tienden a hacer que el electrolito sólido se fracture o se desprenda.
Otro problema es que ninguno de los electrolitos sólidos propuestos es realmente estable desde el punto de vista químico al estar en contacto con el litio metálico, muy reactivo, y tienden a degradarse con el tiempo.
La mayoría de los intentos por superar estos problemas se ha centrado en diseñar materiales de electrolito sólido completamente estables frente al litio metálico, algo que resulta difícil. En cambio, Li y su equipo adoptaron un diseño inusual que utiliza dos clases adicionales de sólidos: «conductores mixtos iónicos y electrónicos» (MIEC) y «aislantes de electrones e iones de litio» (ELI), que son completamente estables desde el punto de vista químico al entrar en contacto con el litio metálico.
Los investigadores desarrollaron una nanoarquitectura tridimensional en forma de matriz alveolar de tubos hexagonales de MIEC, parcialmente impregnados de litio metálico sólido para formar uno de los electrodos de la batería, aunque dejaron espacio adicional dentro de cada tubo. Cuando el litio se expande durante la carga, fluye hacia el espacio vacío del interior de los tubos, como un líquido, aunque conserva su estructura cristalina sólida. Este flujo, confinado por completo dentro de la estructura alveolar, alivia la presión causada por la expansión durante la carga sin cambiar las dimensiones exteriores del electrodo ni el límite entre el electrodo y el electrolito. El otro material, el ELI, actúa como aglutinante mecánico esencial entre las paredes de MIEC y la capa de electrolito sólido.
«Diseñamos esta estructura que nos proporciona electrodos tridimensionales, como un panal», afirma Li. Los espacios vacíos de cada tubo permiten que el litio «se deslice hacia atrás» dentro de ellos, «y así no acumula tensión que fracture el electrolito sólido». El litio que se expande y contrae dentro de estos tubos entra y sale, algo parecido a los pistones de un motor de automóvil dentro de sus cilindros. Como estas estructuras se fabrican a escala nanométrica —los tubos tienen entre 100 y 300 nanómetros de diámetro y decenas de micras de altura—, el resultado es como «un motor con 10.000 millones de pistones, cuyo fluido de trabajo es litio metálico», afirma Li.
Como las paredes de estas estructuras alveolares están hechas de MIEC químicamente estable, el litio nunca pierde el contacto eléctrico con el material, afirma Li. Así, toda la batería sólida puede mantener su estabilidad mecánica y química a lo largo de sus ciclos de uso. El equipo ha demostrado el concepto experimentalmente: sometió un dispositivo de prueba a 100 ciclos de carga y descarga sin que se fracturara ninguno de los sólidos.
Li afirma que, aunque muchos otros grupos trabajan en lo que llaman baterías sólidas, la mayoría de esos sistemas funciona mejor con algo de electrolito líquido mezclado con el material de electrolito sólido. «Pero en nuestro caso —dice—, es realmente todo sólido. No contiene ningún tipo de líquido ni gel».
El nuevo sistema podría dar lugar a ánodos seguros que pesen apenas una cuarta parte que sus equivalentes convencionales en las baterías de iones de litio, con la misma capacidad de almacenamiento. Si se combina con nuevos conceptos para aligerar el otro electrodo, el cátodo, este trabajo podría reducir sustancialmente el peso total de las baterías de iones de litio. Por ejemplo, el equipo espera que permita desarrollar teléfonos móviles que solo haya que cargar una vez cada tres días, sin que sean más pesados ni voluminosos.
Otro equipo dirigido por Li describió un nuevo concepto de cátodo más ligero en un artículo publicado el mes pasado en la revista Nature Energy, del que son coautores Zhi Zhu, investigador posdoctoral del MIT, y Daiwei Yu, estudiante de posgrado. El material reduciría el uso de níquel y cobalto, que son caros y tóxicos y se utilizan en los cátodos actuales. El nuevo cátodo no depende únicamente de la contribución a la capacidad de estos metales de transición durante los ciclos de la batería. En cambio, dependería más de la capacidad redox del oxígeno, que es mucho más ligero y abundante. Sin embargo, en este proceso los iones de oxígeno se vuelven más móviles, lo que puede hacer que escapen de las partículas del cátodo. Los investigadores aplicaron un tratamiento superficial a alta temperatura con sal fundida para producir una capa protectora en la superficie de partículas de óxido metálico ricas en manganeso y litio, reduciendo drásticamente la pérdida de oxígeno.
Aunque la capa superficial es muy fina —tiene apenas entre 5 y 20 nanómetros de grosor sobre una partícula de 400 nanómetros de ancho—, protege bien el material subyacente. «Es casi como una inmunización», afirma Li, frente a los efectos destructivos de la pérdida de oxígeno en las baterías que se usan a temperatura ambiente. Las versiones actuales ofrecen una mejora de al menos el 50 % en la cantidad de energía que puede almacenarse para un peso determinado, además de una estabilidad cíclica mucho mayor.
Hasta ahora, el equipo solo ha fabricado dispositivos pequeños a escala de laboratorio, pero «espero que esto pueda ampliarse muy rápidamente», afirma Li. Los materiales necesarios, principalmente manganeso, son mucho más baratos que el níquel o el cobalto que usan otros sistemas, por lo que estos cátodos podrían costar apenas una quinta parte de lo que cuestan las versiones convencionales.
Los equipos de investigación incluyeron investigadores del MIT, la Universidad Politécnica de Hong Kong, la Universidad de Florida Central, la Universidad de Texas en Austin y los Laboratorios Nacionales de Brookhaven, en Upton, Nueva York. El trabajo recibió el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.
