Los ingenieros resuelven un misterio en el camino hacia baterías más pequeñas y ligeras
Los filamentos metálicos en forma de rama, dendritas, pueden mermar la potencia de las baterías de litio de estado sólido
Un descubrimiento de investigadores del MIT podría abrir por fin la puerta al diseño de un nuevo tipo de batería de litio recargable más ligera, compacta y segura que las versiones actuales, y que ha sido perseguido por laboratorios de todo el mundo durante años.
La clave de este posible salto en la tecnología de las baterías es la sustitución del electrolito líquido que se sitúa entre los electrodos positivo y negativo por una capa mucho más fina y ligera de material cerámico sólido, y la sustitución de uno de los electrodos por litio metálico sólido. Esto reduciría enormemente el tamaño y el peso totales de la batería y eliminaría el riesgo de seguridad asociado a los electrolitos líquidos, que son inflamables. Pero esa búsqueda se ha visto acosada por un gran problema: las dendritas.
Las dendritas, cuyo nombre viene del latín y significa «ramas», son proyecciones de metal que pueden acumularse en la superficie del litio y penetrar en el electrolito sólido, pasando finalmente de un electrodo a otro y provocando un cortocircuito en la célula de la batería. Los investigadores no han logrado ponerse de acuerdo sobre qué da lugar a estos filamentos metálicos, ni tampoco se ha avanzado mucho en la forma de evitarlos y, por tanto, hacer de las baterías ligeras de estado sólido una opción práctica.
La nueva investigación, que se publica en la revista Joule en un artículo del profesor del MIT Yet-Ming Chiang, el estudiante de posgrado Cole Fincher y otras cinco personas del MIT y la Universidad de Brown, parece resolver la cuestión de qué causa la formación de dendritas. También muestra cómo se puede evitar que las dendritas atraviesen el electrolito.
Chiang dice que en el trabajo anterior del grupo hicieron un hallazgo «sorprendente e inesperado», que fue que el material duro y sólido del electrolito utilizado para una batería de estado sólido puede ser penetrado por el litio, que es un metal muy blando, durante el proceso de carga y descarga de la batería, ya que los iones de litio se mueven entre las dos partes.
Este movimiento de ida y vuelta de los iones hace que el volumen de los electrodos cambie. Esto provoca inevitablemente tensiones en el electrolito sólido, que tiene que permanecer totalmente en contacto con los dos electrodos entre los que se encuentra. «Para depositar este metal, tiene que haber una expansión del volumen porque se está añadiendo nueva masa», dice Chiang. «Así que hay un aumento de volumen en el lado de la célula donde se deposita el litio. Y si hay incluso defectos microscópicos presentes, esto generará una presión en esos defectos que puede causar grietas».
Esas tensiones, ha demostrado ahora el equipo, provocan las grietas que permiten la formación de dendritas. La solución al problema resulta ser más tensión, aplicada en la dirección y con la fuerza adecuadas.
Aunque anteriormente algunos investigadores pensaban que las dendritas se formaban por un proceso puramente electroquímico, en lugar de mecánico, los experimentos del equipo demuestran que son las tensiones mecánicas las que causan el problema.
El proceso de formación de dendritas suele tener lugar en las profundidades de los materiales opacos de la celda de la batería y no puede observarse directamente, por lo que Fincher desarrolló una forma de fabricar celdas delgadas utilizando un electrolito transparente, lo que permite ver y grabar directamente todo el proceso. «Se puede ver lo que ocurre cuando se ejerce una compresión sobre el sistema, y se puede ver si las dendritas se comportan o no de forma acorde con un proceso de corrosión o de fractura», dice.
El equipo demostró que podía manipular directamente el crecimiento de las dendritas simplemente aplicando y soltando presión, haciendo que las dendritas hicieran zig-zag en perfecta alineación con la dirección de la fuerza.
La aplicación de tensiones mecánicas al electrolito sólido no elimina la formación de dendritas, pero sí controla la dirección de su crecimiento. Esto significa que se pueden dirigir para que permanezcan paralelas a los dos electrodos y evitar que crucen al otro lado, y así hacerlas inofensivas.
En sus pruebas, los investigadores utilizaron la presión inducida por la flexión del material, que se formó en una viga con un peso en un extremo. Pero dicen que, en la práctica, podría haber muchas formas diferentes de producir la tensión necesaria. Por ejemplo, el electrolito podría estar hecho con dos capas de material que tuvieran diferentes cantidades de expansión térmica, de modo que hubiera una flexión inherente del material, como se hace en algunos termostatos.
Otro método sería «dopar» el material con átomos que se incrustarían en él, distorsionándolo y dejándolo en un estado de tensión permanente. Este es el mismo método que se utiliza para producir el vidrio superduro que se usa en las pantallas de los teléfonos inteligentes y las tabletas, explica Chiang. Y la cantidad de presión necesaria no es extrema: los experimentos demostraron que presiones de 150 a 200 megapascales eran suficientes para impedir que las dendritas atravesaran el electrolito.
La presión requerida es «proporcional a las tensiones que se suelen inducir en los procesos de crecimiento de películas comerciales y en muchos otros procesos de fabricación», por lo que no debería ser difícil de aplicar en la práctica, añade Fincher.
De hecho, a menudo se aplica a las celdas de las baterías un tipo de tensión diferente, denominada presión de apilamiento, que consiste en aplastar el material en la dirección perpendicular a las placas de la batería, algo así como comprimir un sándwich poniendo un peso encima. Se pensaba que esto podría ayudar a evitar que las capas se separaran. Pero los experimentos han demostrado ahora que la presión en esa dirección en realidad exacerba la formación de dendritas. «Demostramos que este tipo de presión de apilamiento en realidad acelera el fallo inducido por las dendritas», dice Fincher.
Lo que se necesita, en cambio, es una presión a lo largo del plano de las placas, como si el sándwich se apretara desde los lados. «Lo que hemos demostrado en este trabajo es que cuando se aplica una fuerza de compresión se puede obligar a las dendritas a viajar en la dirección de la compresión», dice Fincher, y si esa dirección es a lo largo del plano de las placas, las dendritas «nunca llegarán al otro lado».
Esto podría hacer por fin práctica la producción de baterías con electrolito sólido y electrodos metálicos de litio. No sólo se obtendría más energía en un volumen y peso determinados, sino que se eliminaría la necesidad de utilizar electrolitos líquidos, que son materiales inflamables.
Una vez demostrados los principios básicos, el siguiente paso del equipo será intentar aplicarlos a la creación de un prototipo de batería funcional, dice Chiang, y luego averiguar exactamente qué procesos de fabricación serían necesarios para producir tales baterías en cantidad. Aunque han solicitado una patente, los investigadores no tienen previsto comercializar el sistema por sí mismos, dice, pues ya hay empresas que trabajan en el desarrollo de baterías de estado sólido. «Diría que se trata de un conocimiento de los modos de fallo en las baterías de estado sólido que creemos que la industria debe conocer y tratar de utilizar para diseñar mejores productos», afirma.
