Una nueva batería diseñada por los investigadores de la Universidad de Harvard promete que será capaz de cargar un coche eléctrico en tan solo 10 minutos. El diseño ideado por el equipo de investigación emplea una arquitectura alternativa, tipo sándwich, que es capaz de ofrecer una vida útil mucho mayor que una batería comparable de iones de litio actual gracias a su capacidad de repararse a sí misma. Y lo consigue haciendo uso de dos tecnologías que actualmente son muy prometedoras en este campo: el metal de litio de alto rendimiento y el electrolito sólido.
El metal de litio supone un avance para la mejora del rendimiento de las baterías ya que sustituye al grafito y al cobre que se emplean en el ánodo. Tal y como declara Xin Li, profesor asociado de ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard, "una batería de metal de litio se considera el santo grial de la química de la batería debido a su alta capacidad y densidad de energía". Sin embargo, la estabilidad electroquímica de este tipo de baterías "siempre ha sido muy pobre"
Las dendritas, unas pequeñas protuberancias en forma de aguja que se forman en la superficie del ánodo de metal de litio consumen el electrolito líquido, reduciendo el rendimiento y la vida útil, además de convertirse en un problema de seguridad, ya que pueden llegar a causar un cortocircuito.
El electrolito líquido que se emplea como medio de transporte de los iones en los procesos de carga y descarga, puede sustituirse por un electrolito sólido o semisólido que reduce el riesgo de sobrecalentamiento e incendios. Su empleo junto al metal de litio es una de las formas que tienen los científicos para evitar este problema. Basándose en estas dos tecnologías, se han presentado algunas soluciones potencialmente prometedoras para su empleo en la industria.
Estas experiencias previas les han servido a los científicos de la Universidad de Harvard para crear una batería experimental de metal de litio y electrolito sólido cuyo diseño busca protegerla de la destrucción provocada por las dendritas. Para ello la han construido a partir de capas cada una con diferentes grados de estabilidad. Los dos electrodos funcionan como si fueran el pan de un sándwich entre los que se colocan las diferentes capas. Una de grafito (lechuga), una primera capa de electrolito (tomate), una segunda capa de electrolito (tocino) y finalmente otra capa del primer electrolito (tomate nuevamente).
La batería de metal de litio y electrolito sólido multicapa se diseña como un sándwich: los electrodos son el pan y en medio se coloca una capa de grafito (lechuga), una primera capa de electrolito (tomate), una segunda capa de electrolito (tocino) y finalmente otra capa del primer electrolito (tomate nuevamente). Imagen: Lisa Burrows / Harvard SEAS.
Entre las dos capas de electrolito hay ligeras variaciones en la química, lo que hace que el primero sea propenso a la penetración de dendritas pero más estable con el litio, y el segundo menos estable con el litio pero inmune a las dendritas. De esta manera, la batería no evita la formación de las dendritas, pero sí es capaz de controlarlas y contenerlas de forma segura, gracias al bloqueo de las protuberancias que ofrece la segunda capa (representada en el sándwich por el tocino).
Se trata de una batería que puede "curarse sola" al ser capaz de rellenar los huecos creados por las dendritas. Luhan Ye, coautor del artículo publicado en la revista Nature asegura que la estrategia de "incorporar inestabilidad para estabilizar la batería es contraria a la intuición, pero al igual que un ancla puede guiar y controlar un tornillo que entra en una pared, nuestra guía de diseño multicapa también puede controlar el crecimiento de las dendritas".
La investigación se basa todavía en un prototipo experimental que pretende demostrar que el concepto de una batería sólida de metal de litio podría ser competitivo con las baterías comerciales de iones de litio actuales con electrolito líquido. En las pruebas experimentales todavía en laboratorio, la batería mostró su capacidad para que, en un fututo, un vehículo eléctrico pudiera cargarse en 10 o 20 minutos. Además, la batería retuvo el 82% de su capacidad tras 10.000 ciclos de carga y descarga.
La flexibilidad y la versatilidad del diseño multicapa hace que su fabricación sea compatible con los procedimientos de producción en masa de baterías que se emplean actualmente en la industria: "No será fácil escalarlo hasta el nivel de una batería comercial ya que todavía existen algunos desafíos prácticos, pero creemos que se superarán".
