Investigadores del MIT han hecho un nuevo descubrimiento que podría allanar el camino para el desarrollo de baterías de litio de estado sólido.
El nuevo descubrimiento del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) finalmente podría marcar el comienzo del desarrollo de baterías de litio de estado sólido, que serían más livianas, compactas y seguras que las baterías de litio actuales. El crecimiento de filamentos metálicos llamados dendritas dentro del electrolito sólido ha sido un obstáculo de larga data, pero el nuevo estudio explica cómo se forman las dendritas y cómo desviarlas. Este es un objetivo que han perseguido los laboratorios de todo el mundo durante años.
Engineers solve a mystery on the path to smaller, lighter batteries: Branchlike metallic filaments can sap the power of solid-state lithium batteries. A new study explains how they form and how to divert them. https://t.co/4R8AkFTnXF pic.twitter.com/aLKUr1kAk1
— Massachusetts Institute of Technology (MIT) (@MIT) November 23, 2022
La clave de este salto potencial en la tecnología de baterías es reemplazar el electrolito líquido que se encuentra entre los electrodos positivo y negativo con una capa mucho más delgada y liviana de material cerámico sólido, y reemplazar uno de los electrodos con metal de litio sólido. Esto reduciría en gran medida el tamaño y el peso total de la batería y eliminaría el riesgo de seguridad asociado con los electrolitos líquidos, que son inflamables.
Pero esa búsqueda ha estado plagada de un gran problema: las dendritas.
Las dendritas, cuyo nombre proviene del latín ramas, son proyecciones de metal que pueden acumularse en la superficie de litio y penetrar en el electrolito sólido, cruzando eventualmente de un electrodo al otro y provocando un cortocircuito en la celda de la batería. Los investigadores no han podido ponerse de acuerdo sobre qué da lugar a estos filamentos metálicos, ni ha habido mucho progreso sobre cómo prevenirlos y, por lo tanto, hacer que las baterías livianas de estado sólido sean una opción práctica.
La nueva investigación publicada en la revista Joule en un artículo del profesor del MIT Yet-Ming Chiang, el estudiante graduado Cole Fincher y otros cinco en el MIT y la Universidad de Brown, parece resolver la cuestión de qué causa la formación de dendritas. También muestra cómo se puede evitar que las dendritas atraviesen el electrolito.
Chiang dijo que en el trabajo anterior del grupo, hicieron un hallazgo «sorprendente e inesperado», que fue que el litio, que es un metal muy blando, puede penetrar el material de electrolito sólido y duro que se usa para una batería de estado sólido durante el proceso de carga y descarga de la batería, ya que los iones de litio se mueven entre los dos lados.
Este vaivén de iones hace que cambie el volumen de los electrodos. Eso inevitablemente provoca tensiones en el electrolito sólido, que tiene que permanecer completamente en contacto con los dos electrodos entre los que está intercalado. “Para depositar este metal, tiene que haber una expansión del volumen porque estás agregando nueva masa”, dijo Chiang. “Entonces, hay un aumento en el volumen en el lado de la celda donde se deposita el litio. Y si hay incluso fallas microscópicas presentes, esto generará una presión sobre esas fallas que puede causar grietas”.
Esas tensiones, según ha demostrado ahora el equipo, provocan las grietas que permiten que se formen las dendritas. La solución al problema resulta ser más tensión, aplicada en la dirección correcta y con la cantidad correcta de fuerza.
El equipo demostró que podían manipular directamente el crecimiento de las dendritas simplemente aplicando y liberando presión, haciendo que las dendritas zigzaguearan en perfecta alineación con la dirección de la fuerza.
La aplicación de tensiones mecánicas al electrolito sólido no elimina la formación de dendritas, pero sí controla la dirección de su crecimiento. Esto significa que se pueden dirigir para que permanezcan paralelos a los dos electrodos y evitar que crucen al otro lado y, por lo tanto, se vuelvan inofensivos.
Con información de MIT y New Energy and Fuel
