La mayoría de las baterías de iones de litio actuales, que alimentan todo, desde automóviles hasta teléfonos, utilice un líquido como electrolito entre dos electrodos. El uso de un electrolito sólido en su lugar podría ofrecer importantes ventajas tanto para la seguridad como para la capacidad de almacenamiento de energía. pero los intentos de hacer esto se han enfrentado a desafíos inesperados.

Los investigadores ahora informan que el problema puede ser una interpretación incorrecta de cómo fallan tales baterías. Los nuevos hallazgos, que podría abrir nuevas vías para el desarrollo de baterías de litio con electrolitos sólidos, se informan en la revista Materiales energéticos avanzados , en un artículo de Yet-Ming Chiang, el profesor de cerámica Kyocera en el MIT; W. Craig Carter, el profesor POSCO de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT; y otros ocho.

El electrolito en una batería es el material entre los electrodos positivo y negativo, una especie de relleno en el sándwich de la batería. Siempre que la batería se cargue o se agote, Los iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) atraviesan el electrolito de un electrodo al otro.

Pero estos electrolitos líquidos pueden ser inflamables, y han sido responsables de algunos incendios provocados por este tipo de baterías. También son propensos a la formación de dendritas:delgadas, proyecciones de metal en forma de dedos que se acumulan a partir de un electrodo y, si llegan hasta el otro electrodo, puede crear un cortocircuito que podría dañar la batería.

Los investigadores han tratado de solucionar estos problemas utilizando un electrolito hecho de materiales sólidos, como algunas cerámicas. Esto podría eliminar el problema de la inflamabilidad y ofrecer otros grandes beneficios, pero las pruebas han demostrado que dichos materiales tienden a comportarse de manera algo errática y son más propensos a cortocircuitos de lo esperado.

El problema, según este estudio, es que los investigadores se han centrado en las propiedades incorrectas en su búsqueda de un material electrolítico sólido. La idea predominante era que la firmeza o blandura del material (una propiedad llamada módulo de corte) determinaba si las dendritas podían penetrar en el electrolito. Pero el nuevo análisis mostró que lo más importante es la suavidad de la superficie. Las muescas y raspaduras microscópicas en la superficie del electrolito pueden proporcionar un punto de apoyo para que los depósitos metálicos comiencen a abrirse paso. los investigadores encontraron.

Esta sugerencia, Chiang dice, que simplemente enfocarse en lograr superficies más suaves podría eliminar o reducir en gran medida el problema de la formación de dendrita en baterías con un electrolito sólido. Además de evitar el problema de inflamabilidad asociado con los electrolitos líquidos, este enfoque también podría hacer posible el uso de un electrodo de metal de litio sólido. Hacerlo podría potencialmente duplicar la capacidad de energía de una batería de iones de litio, es decir, su capacidad para almacenar energía para un peso determinado, que es crucial tanto para vehículos como para dispositivos portátiles.

"La formación de dendritas, conduciendo a eventuales fallas de cortocircuito, ha sido la principal razón por la que las baterías recargables de litio-metal no han sido posibles, ", Explica Chiang. (Los electrodos de metal de litio se utilizan comúnmente en baterías no recargables, pero eso se debe a que las dendritas solo se forman durante el proceso de carga).

El problema de la formación de dendrita en las baterías recargables de litio se reconoció por primera vez a principios de la década de 1970, Chiang dice, "y 45 años después ese problema aún no se ha resuelto. Pero el objetivo sigue siendo tentador, "debido al potencial de duplicar la capacidad de una batería mediante el uso de electrodos de metal de litio.

En los últimos años, varios grupos han intentado desarrollar electrolitos sólidos como una forma de permitir el uso de electrodos de metal de litio. Hay dos tipos principales en los que se está trabajando, Chiang dice:sulfuros de litio y fósforo, y óxidos metálicos. Con todos estos esfuerzos de investigación, Uno de los pensamientos predominantes era que el material tenía que ser rígido, no elástico. Pero estos materiales han tendido a mostrar resultados inconsistentes y confusos en las pruebas de laboratorio.

La idea tenía sentido Chiang dice:un material más rígido debería ser más resistente a algo que intente presionar su superficie. Pero el nuevo trabajo en el que el equipo probó muestras de cuatro variedades diferentes de materiales de electrolitos sólidos potenciales y observó los detalles de cómo se desempeñaban durante los ciclos de carga y descarga, demostró que la forma en que las dendritas se forman en los materiales sólidos rígidos sigue un proceso completamente diferente al que se forman en los electrolitos líquidos.

En las superficies sólidas, el litio de uno de los electrodos comienza a depositarse, a través de una reacción electroquímica, sobre cualquier pequeño defecto que exista en la superficie del electrolito, incluyendo hoyos diminutos, grietas y rayones. Una vez que se forma el depósito inicial sobre dicho defecto, continúa construyéndose y asombrosamente, la acumulación se extiende desde la punta de la dendrita, no desde su base, mientras se abre paso en el sólido, actuando como una cuña a medida que avanza y abriendo una grieta cada vez más amplia.

Estos materiales son "muy sensibles al número y tamaño de los defectos superficiales, no a las propiedades generales "del material, Chiang dice. "Es la propagación de grietas lo que conduce a la falla ... Nos dice que en lo que deberíamos enfocarnos más es en la calidad de las superficies, sobre cuán suaves y libres de defectos podemos hacer estas películas sólidas de electrolitos ".

"Creo que este trabajo novedoso y de alta calidad restablecerá el pensamiento sobre cómo diseñar baterías prácticas de estado sólido de metal de litio, "dice Alan Luntz, un profesor consultor para la investigación de baterías de metal-aire en la Universidad de Stanford, que no participó en esta investigación. "Los autores han demostrado que un mecanismo diferente gobierna el cortocircuito de metal de litio en las baterías de litio de estado sólido que en las baterías líquidas o de polímero de metal de litio donde se forman las dendritas ... Esto implica que si las baterías de metal de litio de estado sólido van a tener densidades de corriente prácticas, entonces es esencial minimizar cuidadosamente todos los defectos estructurales en la interfaz del metal de litio y el electrolito, " él dice.

Luntz agrega, "Considero que es una contribución extremadamente importante al objetivo de desarrollar todas las baterías de estado sólido prácticas y seguras".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.