Nuevos materiales cerámicos prometen baterías sólidas más seguras y duraderas

Un equipo de cuatro universidades y tres laboratorios nacionales, liderado por la Universidad de Texas en Austin, desarrolló un nuevo enfoque para las baterías sólidas, mejorando su rendimiento y reduciendo los costos de fabricación. Las baterías sólidas son una tecnología emergente de almacenamiento de energía que podría desbloquear un rendimiento mejorado para drones, dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos.

"El mayor desafío para las baterías de próxima generación es hacer que todas sean de estado sólido, lo que permite una mayor seguridad y una mayor energía", afirmó David Mitlin, profesor en la Escuela de Ingeniería Cockrell y principal investigador del nuevo estudio publicado en Nature Materials. "Sin embargo, se necesita mucho más trabajo antes de que todas las baterías de estado sólido puedan ser comercializadas ampliamente".

Hoy en día, la mayoría de las baterías de iones de litio utilizan un electrolito líquido orgánico, una sustancia similar al jarabe de arce que permite que los iones de litio se desplacen de forma reversible dentro de la batería. A pesar de su madurez tecnológica, los electrolitos líquidos son el "combustible" hidrocarbónico en los incendios de baterías que a menudo se reportan.

Los electrolitos cerámicos sólidos reducen los riesgos de incendio, eliminando el combustible hidrocarbónico que alimenta las reacciones térmicas descontroladas de las baterías. Sin embargo, los electrolitos cerámicos enfrentan sus propios obstáculos, incluidos altos costos, un control de calidad desafiante durante la fabricación y fallas prematuras debido a cortocircuitos inducidos por filamentos metálicos (denominados dendritas).

Las cerámicas óxidas basadas en la estructura de granate son materiales clave para todas las baterías de estado sólido. La estructura única del granate permite que los iones de litio se muevan rápida y eficientemente, lo que lo hace ideal para el almacenamiento de energía. Sin embargo, incluso el granate ha luchado por superar el problema de las dendritas, que está directamente relacionado con la formación de pequeñas grietas dentro del electrolito.

Como un joyero que refina una gema, los investigadores han pulido el granate para revelar su máximo potencial. Dispersar partículas de zirconia a microescala a través de los granos de granate suprime tanto las grietas como las dendritas.

Este método se basa en aditivos de carburo, que se descomponen exotérmicamente durante la fabricación, aportando calor adicional a la reacción de síntesis. Esto crea un beneficio adicional al reducir el costo de fabricación al bajar la temperatura externa necesaria para el procesamiento.

"La zirconia realmente cumple una doble función aquí", dijo Yixian Wang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Mitlin y coautor principal. "Ayuda a densificar el material mientras también previene la formación de esas molestas dendritas de litio. Es una victoria para el rendimiento y la seguridad de la batería".

En las pruebas, el granate modificado con zirconia logró casi el doble de la densidad de corriente crítica, el máximo de corriente que puede manejar antes de cortocircuitarse, en comparación con el granate no modificado. Esto significa que las baterías que utilizan este material pueden operar a niveles de potencia más altos sin comprometer la seguridad.

Si bien la ciencia de las baterías es la fuerza impulsora de esta investigación, los resultados pueden aplicarse a una amplia variedad de sectores de fabricación de cerámicas de alta calidad, donde el control de defectos es esencial.