– Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences Una batería de litio de estado sólido, estable y de larga duración
Los investigadores demuestran una solución a un problema de 40 años
Esta tecnología de baterías podría aumentar la vida útil de los vehículos eléctricos hasta la de los de gasolina -de 10 a 15 años- sin necesidad de sustituir la batería. Gracias a su alta densidad de corriente, la batería podría allanar el camino para que los vehículos eléctricos puedan cargarse completamente en 10 o 20 minutos
Las baterías de larga duración y carga rápida son esenciales para la expansión del mercado de los vehículos eléctricos, pero las actuales de iones de litio se quedan cortas: son demasiado pesadas, demasiado caras y tardan demasiado en cargarse.
Durante décadas, los investigadores han tratado de aprovechar el potencial de las baterías de metal-litio de estado sólido, que contienen mucha más energía en el mismo volumen y se cargan en una fracción del tiempo en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio.
«La batería de litio-metal se considera el santo grial de la química de las baterías por su gran capacidad y densidad energética», afirma Xin Li, profesor asociado de Ciencia de los Materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard. «Pero la estabilidad de estas baterías siempre ha sido escasa».
Ahora, Li y su equipo han diseñado una batería de estado sólido de litio-metal estable que puede cargarse y descargarse al menos 10.000 veces -muchos más ciclos de los que se habían demostrado anteriormente- con una alta densidad de corriente. Los investigadores combinaron el nuevo diseño con un material catódico comercial de alta densidad energética.
Esta tecnología de baterías podría aumentar la vida útil de los vehículos eléctricos hasta la de los de gasolina -de 10 a 15 años- sin necesidad de sustituir la batería. Gracias a su alta densidad de corriente, la batería podría allanar el camino para que los vehículos eléctricos puedan cargarse completamente en 10 o 20 minutos.
«Nuestra investigación demuestra que la batería de estado sólido podría ser fundamentalmente diferente de la batería comercial de iones de litio de electrolito líquido», dijo Li. «Estudiando su termodinámica fundamental, podemos desbloquear un rendimiento superior y aprovechar sus abundantes oportunidades».
El gran reto de las baterías de litio-metal ha sido siempre la química. Las baterías de litio trasladan los iones de litio del cátodo al ánodo durante la carga. Cuando el ánodo es de metal de litio, se forman en la superficie unas estructuras en forma de aguja llamadas dendritas. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y perforan la barrera que separa el ánodo y el cátodo, provocando un cortocircuito en la batería o incluso un incendio.
Para superar este problema, Li y su equipo diseñaron una batería multicapa que intercala diferentes materiales de distinta estabilidad entre el ánodo y el cátodo. Esta batería multicapa y multimaterial impide la penetración de las dendritas de litio no deteniéndolas del todo, sino controlándolas y conteniéndolas.
Piense en la batería como en un sándwich BLT. Primero está el pan, el ánodo de metal de litio, seguido de la lechuga, una capa de grafito. A continuación, una capa de tomates, el primer electrolito, y una capa de bacon, el segundo electrolito. Para terminar, otra capa de tomates y el último trozo de pan: el cátodo.
El primer electrolito (nombre químico Li5.5PS4.5Cl1.5 o LPSCI) es más estable con el litio, pero propenso a la penetración de dendritas. El segundo electrolito, (Li10Ge1P2S12 o LGPS) es menos estable con el litio pero parece inmune a las dendritas. En este diseño, se permite que las dendritas crezcan a través del grafito y del primer electrolito, pero se detienen cuando llegan al segundo. En otras palabras, las dendritas crecen a través de la lechuga y el tomate pero se detienen en el tocino. La barrera del tocino impide que las dendritas las atraviesen y provoquen un cortocircuito en la batería.
«Nuestra estrategia de incorporar la inestabilidad para estabilizar la pila parece contraria a la intuición, pero al igual que un ancla puede guiar y controlar un tornillo que se introduce en una pared, nuestro diseño multicapa también puede guiar y controlar el crecimiento de las dendritas», afirma Luhan Ye, coautor del artículo y estudiante de posgrado en SEAS. «La diferencia es que nuestro anclaje se vuelve rápidamente demasiado apretado para que la dendrita lo atraviese, por lo que el crecimiento de la dendrita se detiene», añadió Li.
La pila también se autorrepara; su química le permite rellenar los agujeros creados por las dendritas.
«Este diseño de prueba de concepto demuestra que las baterías de litio-metal en estado sólido podrían ser competitivas con las baterías comerciales de iones de litio», dijo Li. «Y la flexibilidad y versatilidad de nuestro diseño multicapa lo hace potencialmente compatible con los procedimientos de producción en masa de la industria de las baterías. Ampliarlo a la batería comercial no será fácil y todavía hay algunos retos prácticos, pero creemos que se superarán.»
