Los científicos han descubierto por qué fallan las baterías de estado sólido, acercando así un paso más a la realidad la próxima generación de baterías más duraderas y seguras. Los teléfonos inteligentes, los vehículos eléctricos y un sinfín de dispositivos electrónicos portátiles dependen de las baterías. A medida que crece la demanda de un mejor almacenamiento de energía, las mejoras en la capacidad, la vida útil y la seguridad de las baterías desempeñarán un papel fundamental en el futuro de la electrificación. Una de las tecnologías más prometedoras es la batería de estado sólido, que podría permitir que los teléfonos inteligentes funcionen durante varios días con una sola carga y que los vehículos eléctricos alcancen autonomías hasta tres veces mayores que 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 sustituyen el líquido por un electrolito sólido. Este diseño ofrece varias ventajas potenciales, como una mayor densidad energética, una mayor seguridad y una vida útil más prolongada. Sin embargo, un problema persistente ha frenado su adopción comercial. Durante la carga, unas diminutas estructuras ramificadas llamadas dendritas pueden crecer desde el ánodo de litio, perforar el electrolito sólido y provocar cortocircuitos internos. Ahora, un equipo interdisciplinario del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) ha identificado con precisión cómo estas dendritas provocan fracturas que, en última instancia, conducen a la falla de la batería. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature .
Cómo las dendritas agrietan las baterías de estado sólido
Durante mucho tiempo, los investigadores han desconcertado cómo las blandas dendritas de litio logran atravesar un electrolito cerámico duro.
«Aunque los electrodos y las dendritas en formación están compuestos de litio metálico, que es blando como una gominola, las dendritas pueden penetrar el electrolito cerámico y provocar un cortocircuito» «¿Cómo pueden las dendritas blandas fracturar la cerámica sólida y rígida? Existen dos hipótesis: o bien se acumula tensión interna dentro de las dendritas, lo que induce la fractura mecánica del electrolito sólido; o bien, los electrones se filtran a lo largo de los límites de grano del electrolito sólido, promoviendo la formación de núcleos de litio que posteriormente se interconectan».
explica el Dr. Yuwei Zhang, primer autor de la nueva publicación y jefe del grupo «Quimiomecánica de Materiales para Baterías» del MPI-SusMat.
Para determinar cuál de las explicaciones era la correcta, los investigadores emplearon una combinación avanzada de técnicas de preparación de muestras y caracterización de materiales. Cada paso se realizó al vacío y a temperaturas criogénicas para eliminar la interferencia del oxígeno, el agua o incluso los haces de electrones de los microscopios.El equipo examinó tanto la tensión interna como la deformación plástica de las dendritas de litio atrapadas en grietas. Su análisis no halló acumulación de litio delante de la punta de la dendrita, descartando así uno de los mecanismos propuestos.
“El litio metálico blando es capaz de penetrar el electrolito cerámico rígido, como un chorro de agua continuo que penetra una roca. Calculamos que la tensión hidrostática en la dendrita provoca, a la larga, la fractura frágil del electrolito sólido”
Afirma Zhang.
Los investigadores también confirmaron sus conclusiones mediante simulaciones de campo de fase y mediciones de difracción de electrones retrodispersados.
Nuevas estrategias para prevenir fallos en la batería
Gracias a una mejor comprensión de cómo las dendritas fracturan los electrolitos sólidos, el equipo está investigando ahora formas de detener o retrasar el proceso. Entre las posibles soluciones se incluyen aumentar la resistencia del electrolito sólido para que resista el agrietamiento durante más tiempo, introducir huecos microscópicos que redirijan el crecimiento de dendritas y desvíen las grietas de las zonas vulnerables, o añadir recubrimientos protectores a los electrodos de litio para reducir la formación de dendritas desde un principio.
Los investigadores afirman que su trabajo demuestra la importancia de comprender el comportamiento de los materiales a nivel microscópico. Estos conocimientos podrían contribuir a transformar las baterías de estado sólido, de un concepto prometedor a una tecnología práctica para futuros teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos.
