Las baterías de litio en estado sólido son aquellas en las que el electrolito líquido por el que viajan los iones se reemplaza con un polímero o un sólido cerámico. Esta tecnología se ha convertido en una gran promesa para la industria del automóvil, y se destaca como la gran novedad para los vehículos eléctricos al lograr para ellos una mayor autonomía y un mayor grado de seguridad. Sin embargo, uno de los aspectos clave de estas baterías es la alta resistencia que se da en la interfaz electrolito-electrodo que evita que se puedan cargar rápidamente. El estudio y el control de este efecto pueden ayudar a desarrollar más rápidamente este tipo de baterías.
Un electrolito sólido permite el uso de un ánodo (electrodo negativo) fabricado a partir de una hoja delgada de metal de litio que aumenta drásticamente la densidad de energía de la celda de la batería en comparación con los ánodos de grafito utilizados actualmente.
Según un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio, el mecanismo que está detrás de la alta resistencia que ofrecen estas baterías en la interfaz electrolito-electrodo es el efecto de doble capa eléctrica (EDL). La EDL implica la recolección en la interfaz de los iones cargados procedentes del electrolito produciendo una capa cargada positiva o negativamente que hace que una carga del signo opuesto se acumule en todo el electrodo, creando una doble capa de cargas.
Los métodos de análisis electroquímicos convencionales no son capaces de detectar y medir esta EDL en baterías de estado sólido. Este equipo de trabajo ha desarrollado una metodología completamente nueva para evaluar el efecto de la EDL en electrolitos sólidos. La investigación se llevó a cabo con la asistencia del Centro Internacional de Nanoarquitectónica de Materiales (MANA) y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
Según el comunicado de prensa, "el nuevo método gira en torno a los transistores de efecto de campo (FET) fabricados con diamante hidrogenado y un electrolito sólido a base de Li". Se trata de transistores de tres terminales en los que la corriente entre los electrodos se puede controlar aplicando un voltaje en el electrodo de puerta. Este voltaje controla la densidad de electrones o huecos existentes.
Usando estas características ha sido posible determinar la extensión de la EDL en la interfaz entre el electrodo y el electrolito sólido de este tipo de baterías. El equipo utilizó diferentes tipos de electrolitos a base de litio para ver cómo los cambios en la composición afectaban a la EDL. Los resultados indican que el efecto EDL está dominado por la composición del electrolito cerca de la interfaz y que tiene unos cinco nanómetros de espesor.
Controlar la EDL elimina su efecto perjudicial
El efecto de la EDL se puede suprimir en varios órdenes de magnitud si el material electrolítico permite reacciones de reducción-oxidación que dan paso a la compensación de carga. "Nuestra nueva técnica demostró ser útil para revelar aspectos del comportamiento de EDL en las proximidades de interfaces de electrolitos sólidos y ayudó a aclarar los efectos de las características de la interfaz en el rendimiento de las baterías de iones de litio de estado sólido y otros dispositivos iónicos", dijo Tohru Higuchi. director del equipo de la Universidad de Tokio.
El equipo continúa trabajando para analizar el efecto EDL en otros materiales electrolitos, con la esperanza de encontrar pistas sobre cómo reducir la resistencia interfacial en las baterías de estrado solido de próxima generación. "Esperamos que nuestro enfoque conduzca al desarrollo de este tipo de baterías", añade Higuchi. El equipo señala que comprender mejor la formación de la EDL también ayudará en el desarrollo de condensadores, sensores y otros dispositivos de memoria y comunicación.
