En el campo de la investigación de baterías de litio, los científicos se encuentran con varios problemas y obstáculos que a menudo suponen un cuello de botella para su avance. Pero hay uno que es común a todas las tecnologías y que solventarlo supondría un avance para en todos los terrenos. Se trata de las dendritas, el crecimiento en forma de ramas de las acumulaciones de litio que afectan a los diseños de las baterías de próxima generación, sean del tipo que sean. Una nueva investigación dirigida por el MIT afirma haber descubierto la raíz del problema y ser capaz de demostrar cómo se puede anular este efecto mediante el uso inteligente de la tensión mecánica.
Las dendritas crecen como filamentos metálicos delgados, similares a tentáculos, sobre los electrodos de las baterías de litio a medida que cargan y se descargan. Serpentean por el electrolito y causan importantes problemas como cortocircuitos, calentamientos indeseables e incluso incendios. Muchas son las investigaciones que han tratado de acabar con su crecimiento, pero los autores de este nuevo estudio creen que han aportado un descubrimiento que ayudará a resolver definitivamente el problema.
Mientras los científicos del MIT experimentaban con una batería de electrolito sólido, en la que la arquitectura emplea un material sólido en lugar de líquido para transportar los iones de un electrodo a otro, observaron algo inesperado. Los investigadores comprobaron que a pesar de que el electrolito sólido esta hecho de un material relativamente duro, el litio podía penetrarlo a medida que los iones se movían entre los electrodos. Este efecto es el resultado de un cambio en el volumen de los electrodos a medida que aceptan y depositan litio, lo que a su vez puede provocar un estrés mecánico.
"Al depositar el metal se produce una expansión de volumen porque se está agregando nueva masa", explica el profesor Yet-Ming Chiang del MIT. "Por lo tanto, hay un aumento en el volumen en el lado de la celda en el que se deposita el litio. Si hay incluso fallas microscópicas presentes, esto generará una presión sobre esas fallas que puede causar grietas".
Esas grietas son precisamente las que permiten que se formen las dendritas, según los investigadores. Para poder estudiar este proceso utilizaron un material de electrolito experimental diseñado para ser transparente. La formación de dendritas generalmente se desarrolla dentro de los materiales opacos de una celda de batería, que es una de las razones por las que existen ideas contradictorias sobre qué las causa y cómo detenerlas. Al poder observar directamente el fenómeno, los científicos pudieron idear nuevas formas de evitar que provoquen daños.
En sus experimentos de seguimiento, el equipo demostró que era posible aplicar tensión mecánica para dirigir el crecimiento de las dendritas, haciéndolas zigzaguear perfectamente en línea con la dirección de la presión. Si bien no se pudo evitar que se formaran por completo, esto significa que, potencialmente, podrían dirigirse por el electrodo, en lugar de salir perpendicularmente a él causando estragos en el electrolito.
Mediante el uso de presión mecánica para doblar el material el equipo imaginó algunas formas de lograrlo este efecto en una batería real. El dispositivo podría incorporar materiales con diferentes propiedades de expansión térmica para inducir la flexión y, a su vez, el estrés mecánico. También se podrían dopar los materiales con átomos que provoquen distorsiones. Es importante destacar que las presiones requeridas para controlar el crecimiento de las dendritas son muy alcanzables, alrededor de 150 a 200 megapascales, lo que, según el equipo, no sería difícil de implementar.
Si fuera posible diseñar una batería que supere el problema de la formación de las dendritas haciendo que crezcan a través de los electrodos sin causar daño, se podrían desbloquear arquitecturas muy prometedoras para el futuro, como las baterías de metal de litio de estado sólido . Con el uso de metal de litio puro como uno de los ánodos en lugar del grafito y el cobre, se podrían alcanzar densidades de energía que multipliquen varias veces la de las baterías actuales. Además serían más livianas y seguras ya que no usan electrolitos líquidos inflamables.
La investigación fue publicada en la revista Joule. A partir de ahora, el equipo tiene como objetivo lograr crear una batería funcional con esta forma de tensión mecánica que marque la dirección de la formación de las dendritas.
