Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han desarrollado una nueva batería de metal de litio que se puede cargar y descargar al menos 6.000 veces, y se puede recargar en cuestión de minutos. Además de describir una nueva forma de fabricar baterías de estado sólido con un ánodo de metal de litio, la investigación también ofrece nuevos conocimientos sobre los materiales utilizados para estas baterías.

Uno de los mayores retos en el diseño de estas baterías es la formación de dendritas en la superficie del ánodo. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y perforan la barrera que separa el ánodo y el cátodo, lo que hace que la batería se cortocircuite o incluso se incendie. Estas dendritas se forman cuando los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo durante la carga, adhiriéndose a la superficie del ánodo en un proceso llamado enchapado.

El recubrimiento en el ánodo crea una superficie irregular y no homogénea que permite que las dendritas echen raíces. Cuando se descarga, ese recubrimiento debe quitarse del ánodo, y cuando el recubrimiento es desigual, el proceso de recubrimiento puede ser lento y dar lugar a baches que inducen un recubrimiento aún más desigual en la siguiente carga.

En 2021, el equipo de investigadores de Harvard ofreció una forma de lidiar con las dendritas mediante el diseño de una batería multicapa que intercalaba diferentes materiales de diferentes estabilidades entre el ánodo y el cátodo. Este diseño multicapa y multimaterial evitó la penetración de las dendritas de litio, no deteniéndolas por completo, sino controlándolas y conteniéndolas.

En esta nueva investigación, los investigadores han conseguido detener la formación de dendritas mediante el uso de partículas de silicio de tamaño micrométrico en el ánodo para constreñir la reacción de litiación y facilitar el recubrimiento homogéneo de una capa gruesa de metal de litio. La investigación ha sido publicada en la revista científica Nature Materials.

Nuevo diseño de baterías más eficiente

Este nuevo diseño permite que los iones se adhieran a la superficie de la partícula de silicio, pero no penetren más. Esto difiere de la química de las baterías de iones de litio líquidos, en las que los iones de litio penetran a través de una reacción de litiación profunda y, en última instancia, destruyen las partículas de silicio en el ánodo.

Pero, en una batería de estado sólido, los iones en la superficie del silicio se constriñen y se someten al proceso dinámico de litiación para formar un revestimiento de metal de litio alrededor del núcleo de silicio. Estas partículas recubiertas crean una superficie homogénea a través de la cual la densidad de corriente se distribuye uniformemente, evitando el crecimiento de dendritas. Y, debido a que el enchapado y el pelado pueden ocurrir rápidamente en una superficie plana, la batería puede recargarse en solo unos 10 minutos.

Los investigadores construyeron una versión de la batería con una celda del tamaño de un sello, que es de 10 a 20 veces más grande que la pila de botón fabricada en la mayoría de los laboratorios universitarios. La batería conservó el 80% de su capacidad después de 6.000 ciclos, superando a otras baterías del mercado.

También caracterizaron las propiedades que permiten al silicio constreñir la difusión del litio para facilitar el proceso dinámico, favoreciendo el recubrimiento homogéneo del litio grueso. A continuación, definieron un descriptor de propiedades único para describir dicho proceso y lo calcularon para todos los materiales inorgánicos conocidos. Al hacerlo, el equipo reveló docenas de otros materiales que podrían producir un rendimiento similar.

Fuente: smartgridsinfo.es