Científicos resuelven el enigma de las baterías de estado sólido

Las baterías son esenciales para el funcionamiento de smartphones, vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos. Con el aumento de la demanda de almacenamiento de energía, las mejoras en la capacidad, duración y seguridad de las baterías son fundamentales para el futuro de la electrificación. Las baterías de estado sólido se perfilan como una de las tecnologías más prometedoras, ya que podrían permitir que los smartphones operen durante días con una sola carga y ofrecer a los vehículos eléctricos autonomías hasta tres veces superiores a muchos modelos actuales.

A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, que utilizan un electrolito líquido entre dos electrodos sólidos, las baterías de estado sólido reemplazan este líquido por un electrolito sólido. Este diseño ofrece varias ventajas potenciales, como mayor densidad de energía, mejor seguridad y mayor vida útil. Sin embargo, un problema persistente ha ralentizado su adopción comercial: durante la carga, estructuras similares a árboles, llamadas dendritos, pueden crecer desde el ánodo de litio, perforar el electrolito sólido y crear cortocircuitos internos.

Un equipo interdisciplinario del Instituto Max Planck para Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) identificó cómo estos dendritos provocan fracturas que llevan a la falla de la batería. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature.

Cómo los dendritos fracturan las baterías de estado sólido

Durante años, los investigadores se preguntaron cómo los dendritos de litio, que son suaves, logran romper un electrolito cerámico duro.

"Aunque los electrodos y los dendritos formados están compuestos de metal de litio, que es suave como un caramelo, los dendritos pueden penetrar el electrolito cerámico y causar un cortocircuito", afirmó Dr. Yuwei Zhang, autor principal de la publicación y líder del grupo de "Química Mecánica de Materiales de Baterías" en MPI-SusMat. "¿Cómo pueden los dendritos suaves fracturar el rígido cerámico sólido? Existen dos hipótesis: o bien se acumula tensión interna en los dendritos que induce la fractura mecánica del electrolito sólido, o los electrones se filtran a lo largo de los límites de grano del electrolito sólido, promoviendo la formación de núcleos de litio que se interconectan más tarde".

Para determinar cuál de las explicaciones era correcta, los investigadores utilizaron una combinación avanzada de técnicas de preparación de muestras y caracterización de materiales. Cada paso se realizó bajo vacío y a temperaturas criogénicas para eliminar interferencias de oxígeno, agua o incluso de los electrones de los microscopios.

El equipo examinó tanto la tensión interna como la deformación plástica de los dendritos de litio atrapados dentro de las grietas. Su análisis no encontró acumulación de litio delante de la punta del dendrito, descartando un mecanismo propuesto.

"El suave metal de litio puede penetrar el rígido electrolito cerámico, como un chorro de agua continuo que penetra una roca. Calculamos que la tensión hidrostática en el dendrito lleva a la fractura quebradiza del electrolito sólido al final", explicó Zhang.

Los investigadores también confirmaron sus conclusiones mediante simulaciones de campo de fase y mediciones de difracción de retrodispersión electrónica.

Nuevas estrategias para prevenir fallas en las baterías

Con un mejor entendimiento de cómo los dendritos fracturan los electrolitos sólidos, el equipo ahora investiga formas de detener o retrasar este proceso.

Las soluciones potenciales incluyen hacer que el electrolito sólido sea más resistente para que resista las fracturas por más tiempo, introducir vacíos microscópicos que redirijan el crecimiento de los dendritos y desvíen las grietas de áreas vulnerables, o agregar recubrimientos protectores a los electrodos de litio para reducir la formación de dendritos en primer lugar.

Los investigadores afirmaron que su trabajo demuestra la importancia de entender cómo se comportan los materiales a nivel microscópico. Estos conocimientos podrían ayudar a transformar las baterías de estado sólido de un concepto prometedor a una tecnología práctica para futuros smartphones, vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos.

Temas