Un equipo de científicos del Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología de Corea del Sur han creado una nueva arquitectura para las baterías de metal de litio de alta densidad que conduce a grandes mejoras en su capacidad y sus tiempos de carga. El nuevo diseño controla cuidadosamente el crecimiento de las dendritas que son el principal inconveniente de esta tecnología de baterías, permitiendo que mantengan su vida útil durante cientos de ciclos de carga y descarga.
Las actuales baterías de litio que actualmente se usan de manera habitual en dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos cuentan con un ánodo cuya estructura está hecha a base de grafito. Sustituir este material por metal de litio puro supondría un salto cualitativo en la tecnología de almacenamiento de energía. Teóricamente, el litio metálico tiene una capacidad de almacenar energía de alrededor de 3.860 mAh/g, 10 veces superior a la del grafito que está en 372 mAh/g. Implementando baterías con esta tecnología en los vehículos eléctricos se lograrían autonomías mucho mayores con la misma capacidad o baterías más pequeñas, con la consiguiente reducción de peso, para mantener las cifras actuales.
Las baterías de metal de litio generan energía a través de diferentes reacciones químicas que conllevan una serie de problemas que la ciencia trata de resolver. A medida que somete a una batería de metal de litio a los ciclos de carga y descarga, los iones de litio crecen de manera desigual en la superficie del ánodo en formaciones con forma de tentáculos conocidas como dendritas. Las protuberancias pueden hacer que el ánodo se expanda y que la batería se cortocircuite o se incendie. Gran parte de las investigaciones dedicadas a estas baterías se centran en la solución de este problema.
Los autores de este estudio, pertenecientes al Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología de Corea del Sur, abordaron el problema mediante una estructura de carbono poroso con un núcleo hueco que sirve como ánodo. Estos contenedores núcleo-carcasa se pueden confinar con Li y tienen la capacidad de prevenir el crecimiento de la dendritas y la expansión del volumen del ánodo almacenando el litio en el núcleo hueco durante el ciclado. Sin embargo, sufren de un rendimiento electroquímico deficiente por un crecimiento indeseable de litio que aún se forma en la superficie de la estructura durante la operación, algo conocido como recubrimiento superior.
El equipo coreano ha desarrollado un nuevo diseño para estas estructuras que incorpora una pequeña cantidad de nanopartículas de oro en el núcleo hueco. Estas partículas tienen afinidad por los iones de litio pudiendo controlar la dirección en la que crecen. Las dirigen hacia el núcleo, al mismo tiempo que crean poros a nanoescala en la cubierta, que promueven todavía más esta migración de los iones de litio hacia el centro hueco.
De esta forma se evita el crecimiento de dendritas y el efecto del recubrimiento superior. El diseño de la batería resultante mostró un gran potencial en los experimentos realizados en el laboratorio. La deposición de iones de litio se mantuvo dentro de la estructura en condiciones de carga de alta intensidad de corriente y permitió retener el 82,5 por ciento de su capacidad durante 500 ciclos de carga. El equipo asegura que la alta longevidad y la tolerancia a las altas densidades de corriente dará como resultado una batería de alta capacidad que también permitirá la recarga rápida.
"A pesar de su alta capacidad, las baterías de metal de litio tienen muchos obstáculos que superar para su comercialización, principalmente debido a problemas de estabilidad y seguridad", explica el Dr. Byung Gon Kim, director de la investigación en la revista ACS Nano donde se ha publicado. "Nuestro estudio tiene un valor incalculable, ya que desarrollamos una técnica para la producción en masa de depósitos de metal de litio con alta eficiencia culómbica para baterías de metal de litio de recarga rápida".
El objetivo del equipo es trabajar en la industrialización y la comercialización de esta tecnología de batería. Un paso previo para lograrlo es desarrollar un electrolito compatible que pueda transportar los iones durante el uso, una tarea en la que ya está trabajando.
