Un equipo de investigación Investigadores del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL) han descubierto la causa que provoca el crecimiento de las dendritas y las patillas (whiskers) que afectan a las baterías de litio, reduciendo su vida útil, provocando en algunos casos cortocircuitos y, en los casos extremo, hasta el incendio de la batería. Los investigadores esperan que este descubrimiento conduzca a nuevas formas de prevenir su crecimiento mediante la manipulación de los componentes de la batería.
Comprender qué causa que los bigotes comiencen y crezcan conducirá a nuevas iniciativas para eliminarlos o al menos controlarlos para minimizar el daño. El equipo, dirigido por Chongmin Wang, ha publicado la investigación en la revista Nature Nanotechnology, demostrando que la presencia de ciertos compuestos en el electrolito provoca el crecimiento de dendritas y patillas.
El objetivo de la investigación no es solo suprimir el crecimiento de las dendritas sino eliminarlas o, al menos controlar y minimizar el daño. Wang, espera que estos hallazgos estimulen a la comunidad a enfocar este problema de diferentes maneras. "Claramente, se necesita más investigación".
Formación de las dendritas y bigotes durante la deposición electroquímica del litio. a – c: Instantáneas de la secuencia de formación. d – f: Proceso de crecimiento. g: Colapso i, j: Partícula de Li durante el proceso de agrupación de dendritas.
Las dendritas y los whiskers o patillas son pequeñas estructuras rígidas en forma de árbol que crecen en el interior de una batería de litio como proyecciones en forma de aguja. Estas formaciones pueden llegar a perforar el separador que evita que los electrodos (cátodo y ánodo) se toquen. Además, también aumentan las reacciones no deseadas entre el electrolito, en el que están sumergidos estos electrodos y por el que viajan los iones, y el litio, acelerando los fallos de la batería.
El equipo de PNNL descubrió que el origen de las dendritas en una batería de metal de litio reside en una estructura conocida como interfase de electrolitos sólidos (SEI), la película donde la superficie de litio sólido del ánodo se encuentra con el electrolito líquido. Los científicos aislaron el compuesto causante del proceso de crecimiento de las dendritas: el carbonato de etileno, un solvente indispensable que se agrega al electrolito para mejorar el rendimiento de la batería. En el siguiente vídeo se observa el crecimiento paso a paso de una de estas patillas o bigotes en el interior de una batería de metal de litio de tamaño nanométrico especialmente diseñada para el estudio. Para capturar estas imágenes, los científicos utilizaron un microscopio atómico (AFM) y un microscopio electrónico (ETEM).
La formación de las dendritas comienza cuando los iones de litio se agrupan en la superficie del ánodo, formando una primera partícula. La estructura crece lentamente a medida que más iones de litio se acoplan a ella, aumentando su tamaño de la misma manera que una estalagmita crece desde el suelo de una cueva. La dinámica energética en la superficie del SEI empuja más iones de litio hacia la columna que crece muy lentamente hasta que, de repente, una de estas patillas o bigotes se dispara. La cantidad de carbonato de etileno en el electrolito se relaciona directamente con el crecimiento de las dendritas y los bigotes. Para reducir las dendritas, el equipo experimentó con diferentes compuestos para el electrolito, hasta que observaron que con la inclusión de ciclohexanona, una molécula cíclica compuesta de seis átomos de carbono y con un grupo funcional cetona, se impedía el crecimiento de dendritas y bigotes.
Formación de las dendritas y bigotes durante la deposición electroquímica del litio. h: Tasa de crecimiento vertical del bigote durante el proceso.
El trabajo ha sido financiado por la Oficina de Eficiencia Energética del DOE y la Oficina de Tecnologías de Vehículos de Energía Renovable y fue posible gracias a la colaboración del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, perteneciente a la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en PNNL.
