Investigadores del Centro de Investigación de Baterías de Próxima Generación del Instituto de Investigación Electrotécnica de Corea del Sur (KERI) han desarrollado una tecnología para las baterías de litio-metal que consigue resolver uno de los principales problemas de este tipo de baterías: la temida formación de dendritas.
Durante el proceso de carga de las baterías, surgen en la superficie del electrodo unas estructuras metálicas denominadas dendritas que se extienden por todo el electrolito hasta alcanzar el electrodo opuesto. Su aparición entraña riesgos para la seguridad, ya que puede sobrecalentar la batería y hacer que se prenda fuego, y lógicamente reduce también las prestaciones de las batería.
El litio puede desarrollar dendritas si no se consigue almacenar de manera uniforme y eficaz durante el proceso de carga/descarga. Esto provoca un gran aumento del volumen del electrodo (expansión volumétrica o hinchamiento), lo que a su vez puede acortar la vida útil de la batería y causar problemas de seguridad provocados por cortocircuitos internos. En el caso de las baterías de litio-metal, que utilizan ánodos con litio metálico, esto es un problema importante que ahora parece haberse resuelto.
Los investigadores surcoreanos han desarrollado una estructura de carbono poroso con núcleo hueco y un pequeño número de nanopartículas de oro dentro del núcleo. En la nueva estructura, el oro controla la dirección de crecimiento del litio al reaccionar con él, induciendo así la deposición de litio en el interior del núcleo. Además, se forman muchos poros de tamaño nanométrico para mejorar el movimiento del ion-litio hacia el espacio del núcleo.
Uno de los principales problemas observados en el núcleo hueco era la deposición de litio en la carcasa de carbono conductor, y no en el interior del núcleo, en condiciones de carga de alta potencia. Al ver esto, el equipo del KERI introdujo muchos poros de tamaño nanométrico en la carcasa y consiguió mejorar la eficiencia coulómbica sin que se produjera el crecimiento de dendritas de Li, incluso en condiciones de carga con alta corriente (5 mA/cm2). Los resultados de las pruebas mostraron que la reducción de la longitud de difusión del ion-litio en los poros y la mejora de la afinidad del litio por las nanopartículas de oro mantenían la deposición de litio dentro de la estructura incluso en condiciones de carga de alta corriente.
En un artículo publicado en el paper ACS Nano, los investigadores también señalan que la batería en cuestión demostró un excelente rendimiento en cuanto a retención de capacidad, consiguiendo mantener el 82,5% de su capacidad después de más de 500 ciclos de carga y descarga con alta intensidad de corriente.
Según el director de la investigación, Byung Gon Kim, su estudio «tiene un valor incalculable, ya que hemos desarrollado una técnica para la producción en masa de depósitos de Li-metal con una alta eficiencia coulómbica para las baterías de Li-metal de recarga rápida».
¿Qué son las dendritas?
Las baterías de litio-metal utilizan litio metálico en lugar de grafito como ánodo, ya que tiene una capacidad teórica 10 veces mayor (3.860 mAh/g) que el grafito (372 mAh/g). A pesar de la ventaja de su elevadísima capacidad energética, las baterías de litio-metal tienen ciertos inconvenientes para su comercialización en masa, principalmente debido a problemas de estabilidad y seguridad relacionados con la formación de dendritas.
Las dendritas son pequeñas estructuras rígidas que crecen en el interior de una batería de litio como proyecciones en forma de aguja. 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 van acoplando a ella. Para imaginarlo de una manera más visual, podemos pensar en una estalagmita creciendo desde el suelo de una cueva.
Estas formaciones pueden llegar a perforar el separador que evita que los electrodos (cátodo y ánodo) se toquen, y si se tocan, la batería tendrá un cortocircuito. Además, también provoca un aumento en las reacciones no deseadas entre el litio y el electrolito, en el que están sumergidos estos electrodos y por el que viajan los iones, propiciando un mal funcionamiento de la batería.
