Los investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) han descubierto una razón clave por la que fallan las baterías de litio de estado sólido. Aprovechando estos conocimientos han ideado un método que permite desarrollar una estrategia para crear dispositivos de mayor duración, que se carguen más rápidamente y sean más fiables que los actuales. Para llegar a estas conclusiones el equipo estudió la formación de dendritas en las baterías de estado sólido, que son una de las alternativas más viables para sustituir a las actuales baterías de litio con electrolito líquido.
Los investigadores descubrieron que la aparición de vacíos microscópicos en uno de los electrodos del dispositivo es una razón clave para la formación de las dendritas, unos filamentos delgados que atraviesan la barrera separadora entre el cátodo y el ánodo. Las dendritas pueden causar cortocircuitos y, por lo tanto, fallos completos en las baterías, por lo que los científicos han estado trabajando durante años para llegar a la raíz del problema.
¿Dendritas en las baterías de electrolito sólido?
En las baterías con electrolito sólido, el medio por el que viajan los iones de litio de un electrodo, un líquido, pasa a ser un material sólido, generalmente cerámico. Además el grafito que habitualmente se utiliza en el ánodo para crear su microestructura se sustituye por litio metálico.
A temperaturas más altas, los electrolitos cerámicos tienden a funcionar mejor que los que se basan en otros materiales (lo que es especialmente útil en el país donde se realizó la investigación). El litio del ánodo también es más liviano y almacena más carga que el grafito, lo que permite reducir significativamente el coste de producción de la batería.
Sin embargo, al igual que ocurre con las baterías de electrolito líquido, las baterías de estado sólido también sufren el problema de crecimiento de las dendritas bajo determinadas condiciones lo que puede provocar igualmente un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo según explica Naga Phani Aetukuri, profesor asistente en la Unidad de Estado Sólido y Química Estructural (SSCU) del instituto Indio de Ciencias Indio y director del proyecto.
Para investigar por qué ocurre esto, el estudiante de doctorado Vikalp Raj, del equipo de Aetukuri, indujo artificialmente la formación de dendritas en la batería al cargar repetidamente cientos de celdas, tallar secciones delgadas de la interfaz de litio-electrolito y examinarlas bajo un microscopio electrónico de barrido.
De esta forma, el equipo descubrió que durante la descarga se estaban formando en el ánodo de litio vacíos microscópicos con corrientes en sus bordes unas 10.000 veces más grandes que las corrientes promedio, lo que provocaba el estrés del electrolito sólido y aceleraba el crecimiento de las dendritas.
La solución: agregar metales al electrolito
Según ha explicado Aetukuri, "Esto significa que ahora nuestra tarea para hacer muy buenas baterías es muy simple: todo lo que necesitamos es asegurarnos de que no se formen vacíos".
Sin embargo también reconoce que es más fácil decirlo que hacerlo. El equipo del IISc usó su descubrimiento para desarrollar una técnica que, según dijeron, puede retrasar significativamente la formación de estas dendritas: la adición de una capa delgada de metales a la superficie del electrolito. Esta solución también sirvió para prolongar la vida útil de la batería y permitir una carga más rápida.
Para resolver el problema, los investigadores colocaron una capa ultrafina de un metal refractario entre el ánodo de litio y el electrolito sólido como escudo para proteger el electrolito sólido del estrés y redistribuir la corriente. Un metal refractario es aquel que es resistente al calor y al desgaste.
Para realizar esta parte del proyecto, el equipo de la India colaboró con investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, quienes realizaron el análisis computacional. Este estudio demostró al equipo de investigación que la capa de metal refractario efectivamente retrasaba el crecimiento de los vacíos microscópicos de litio.
