Sólido

Una nueva batería de litio de estado sólido no solo puede almacenar casi el doble de energía que una batería de iones de litio estándar, sino que tampoco es propensa a incendiarse como sus contrapartes comerciales actuales. ¿El secreto del éxito de este novedoso prototipo? Deshacerse de uno de los electrodos habituales de una batería, encuentra un nuevo estudio.

Las baterías convencionales suministran electricidad a través de reacciones químicas entre dos electrodos: el ánodo cargado negativamente, donde los electrones salen de la batería, y el cátodo cargado positivamente, donde los electrones pueden ingresar a la batería. Los electrodos de una batería de iones de litio típica están hechos de sustancias cuyas estructuras pueden almacenar y liberar iones de litio cargados eléctricamente. El ánodo suele estar compuesto de grafito, mientras que el cátodo suele ser un óxido metálico. Estos materiales de electrodos se revisten sobre láminas metálicas que recogen la corriente generada; para el ánodo, este metal suele ser cobre y para el cátodo, aluminio.

Los electrodos de las baterías de iones de litio suelen interactuar a través de electrolitos líquidos o en gel. En cambio, todas las baterías de estado sólido emplean electrolitos sólidos hechos de materiales como la cerámica.

Los electrolitos sólidos son más compactos que los electrolitos líquidos o en gel. Esto significa que las baterías de estado sólido pueden producir más energía que las baterías convencionales por la misma cantidad de peso o espacio. Además, las baterías de litio de estado sólido son mucho más seguras que sus equivalentes convencionales, que utilizan electrolitos líquidos orgánicos que suelen ser inflamables.

Mucho sigue siendo incierto cuando se trata de la mejor manera de crear una batería de estado sólido estable y útil. Por ejemplo, investigaciones anteriores encontraron que los electrolitos sólidos a base de sulfuro podrían ayudar a crear baterías que pueden almacenar mucha energía. Sin embargo, los sulfuros en estos electrolitos pueden reaccionar con ambos electrodos, generando compuestos que impiden el flujo de electricidad dentro de las baterías.

Una forma en que los científicos han buscado mejorar las baterías de estado sólido es reemplazando sus ánodos de grafito convencionales únicamente con un colector de corriente de lámina de cobre. Esta estrategia podría aumentar significativamente la cantidad de energía que estas baterías podrían contener. "En efecto, estás eliminando la mitad del material interno de la batería", dice el autor principal del estudio, David Mitlin, científico de materiales de la Universidad de Texas en Austin. El uso de menos material también reduce su costo, agrega.

Sin embargo, un desafío clave al que se ha enfrentado la investigación sobre baterías de estado sólido sin ánodo es el problema al que se enfrentan al pasar por ciclos de descarga y recarga de forma estable. Ahora, en un nuevo estudio, los investigadores muestran que un nuevo recubrimiento puede superar este problema.

Los científicos experimentaron con una batería de estado sólido sin ánodos con un electrolito sólido a base de sulfuro. Exploraron recubrir su colector de corriente de cobre con telurio activado por litio ultrafino. El objetivo era controlar la forma en que el litio metálico se esparcía o "mojaba" el cobre. Descubrieron que este nuevo recubrimiento ayudó a que el metal de litio se depositara y disolviera del colector de corriente de cobre en una capa delgada y uniforme.

Sin este nuevo recubrimiento, los investigadores encontraron que la lámina de cobre se cubrió con estructuras microscópicas irregulares durante la recarga y la descarga. Estos incluyen dendritas puntiagudas que "pueden y provocarán cortocircuitos en la batería entre el ánodo y el cátodo, lo que a su vez puede provocar incendios en la batería", dice Mitlin. También incluyen grumos de "metal muerto" y costras de material similar a un panal que impedían el rendimiento de la batería. "Es como tener un motor que está cubierto por una gruesa capa de óxido en el interior", dice.

La nueva batería puede contener un 72 por ciento más de energía por peso y un 95 por ciento más de energía por volumen que las baterías comerciales de iones de litio. Los investigadores señalan que podrían producir el nuevo recubrimiento en estos colectores de corriente de cobre utilizando técnicas de fabricación estándar. Esto podría ayudar a facilitar la ampliación de la producción de estas nuevas baterías, agregan.

"Estos hallazgos pueden proporcionar eslabones perdidos clave para la comercialización a gran escala de baterías de estado sólido y sin ánodos", dice Mitlin.

Aún así, aunque esta investigación puede resolver un problema crítico con las baterías de litio de estado sólido sin ánodo, se necesita una gran cantidad de desarrollo para llevarlas al mercado, advierte Mitlin. "Todavía se necesita una gran cantidad de trabajo para que las baterías de litio de estado sólido sin ánodos pasen de la escala de laboratorio a la escala de prototipo, sin importar la escala de automóvil", dice.

Los científicos detallaron sus hallazgos en línea el 23 de febrero en la revista Advanced Materials.