Iones de litio recargables, la tecnología de batería dominante para la electrónica portátil, se está convirtiendo cada vez más en la batería preferida para aplicaciones de almacenamiento de energía en vehículos eléctricos y redes eléctricas.

En una batería de iones de litio, el cátodo (electrodo positivo) es un óxido de metal de litio, mientras que el ánodo (electrodo negativo) es grafito. Pero los investigadores están buscando formas de reemplazar el grafito con litio metálico como ánodo para aumentar la densidad de energía de la batería.

Dado que la densidad de empaquetamiento de los átomos de litio es la más alta en su forma metálica, Las baterías que utilizan ánodos de litio metálicos pueden acumular más energía por peso o volumen que los ánodos de grafito. Sin embargo, Los ánodos de metal de litio están plagados de acumulación de "dendrita" que tiene lugar durante ciclos repetidos de carga y descarga.

Las dendritas son protuberancias parecidas a ramas que emanan de la superficie del metal de litio. A menudo, crecen lo suficiente como para crear un cortocircuito entre los electrodos, conduciendo a un peligro de incendio.

Pero ahora un equipo de investigadores del Instituto Politécnico de Rensselaer (Rensselaer) ha descubierto una forma de utilizar el calor de la batería interna para difundir las dendritas en una capa suave. Los investigadores informaron sus hallazgos esta semana en Ciencias .

"Hemos descubierto que las dendritas de metal de litio se pueden curar in situ mediante el autocalentamiento de las partículas dendríticas, "dijo Nikhil Koratkar, el profesor de ingeniería John A. Clark y Edward T. Crossan en Rensselaer y autor correspondiente del artículo.

Trabajando en torno al problema de las dendritas

Un dispositivo de batería se compone de dos electrodos:el cátodo y el ánodo. Entre los electrodos hay una membrana aislante que actúa como un separador para evitar que los electrodos se toquen entre sí y provoquen un cortocircuito en la batería. El separador está saturado con un electrolito líquido, lo que permite que los iones (átomos cargados) se desplacen hacia adelante y hacia atrás entre los electrodos.

Las reacciones químicas producen electricidad cuando los iones de litio cargados positivamente del ánodo se transportan al cátodo cuando se descargan. Cuando la batería está enchufada a un tomacorriente para recargar, sucede lo contrario:los iones de litio fluyen desde el cátodo de regreso al ánodo.

En una batería con un ánodo de metal de litio, Los ciclos repetidos de descarga y recarga provocan la acumulación de dendrita en la superficie del ánodo. Esta acumulación espinosa puede eventualmente penetrar el separador y tocar el cátodo. Cuando esto pasa, se produce un cortocircuito que inutiliza una batería, o peor, provoca un incendio.

La industria ha evitado el problema de la dendrita de litio mediante el uso de ánodos de carbono (normalmente grafito). En este enfoque, Los iones de litio se difunden y se almacenan dentro de la matriz de carbono. que aísla cada átomo de litio, evitando así la acumulación de dendrita. Típicamente, se almacena un átomo de litio por cada seis átomos de carbono, con el exceso de material de carbono sirviendo poco más que un peso muerto.

"Las baterías de iones de litio con ánodos de carbono son la mejor opción disponible, pero ya no pueden satisfacer la demanda de capacidad de almacenamiento, "Dijo Koratkar." Para cualquier nueva mejora significativa, debemos buscar en otra parte. La mejor opción sería un sistema de metal de litio ".

La técnica de autocalentamiento podría cambiar las reglas del juego

La solución propuesta por los investigadores de Rensselaer aprovecha el calentamiento resistivo interno de la batería para eliminar la acumulación de dendrita. El calentamiento resistivo (también conocido como calentamiento Joule) es un proceso en el que un material metálico resiste el flujo de corriente y, como resultado, produce calor. Este "autocalentamiento" se produce a través del proceso de carga y descarga.

Los investigadores aumentaron el efecto de autocalentamiento aumentando la densidad de corriente (tasa de carga y descarga) de la batería. El proceso provocó una extensa difusión superficial de litio, extendiendo las dendritas en una capa uniforme.

Los investigadores demostraron por primera vez este suavizado (curación) de las dendritas en una celda simétrica de litio-litio. Luego mostraron el proceso con los mismos resultados en una demostración de prueba de concepto utilizando una batería de litio y azufre.

La curación de la dendrita se llevaría a cabo mediante el software del sistema de gestión de la batería, que proporcionaría dosis de tratamiento de "autocuración" ejecutando algunos ciclos a una alta tasa de carga y descarga cuando un dispositivo electrónico no está en uso.

"Se produciría una cantidad limitada de ciclos a alta densidad de corriente para curar las dendritas, y luego se pueden reanudar las operaciones normales, "Dijo Koratkar." La autocuración ocurriría como una estrategia de mantenimiento, mucho antes de que las dendritas se conviertan en un peligro para la seguridad ".

"El almacenamiento de energía de alta densidad sigue siendo un obstáculo crítico entre la recolección de energía renovable y su uso generalizado en todo, desde vehículos eléctricos hasta hogares con energía solar, ", dijo el decano de ingeniería Shekhar Garde." Los resultados del laboratorio del profesor Koratkar muestran cómo la comprensión fundamental de los materiales a nanoescala puede emplearse no solo para aumentar la densidad de energía de las baterías, pero también aumenta su vida y los hace más seguros ".