El diseño de la batería de estado sólido se carga en minutos y dura miles de ciclos. La investigación allana el camino para mejores baterías de metal de litio.
El desarrollo de tecnologías de baterías de nueva generación es crucial para que el mundo alcance sus objetivos de consumo neto cero. Con esta idea en mente, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard han desarrollado una nueva batería de metal de litio que puede cargarse y descargarse al menos 6.000 veces, más que cualquier otra pila de bolsa. Además, la batería puede recargarse en cuestión de minutos, lo que abre las puertas a las capacidades de carga rápida.
Este avance presenta un método novedoso para crear baterías de estado sólido con un ánodo de metal de litio y revela nuevos conocimientos sobre los materiales utilizados para estas baterías potencialmente transformadoras. Este avance podría conducir a una adopción más generalizada de formas de energía más sostenibles en el futuro.
El trabajo del equipo allana el camino para avanzar en el desarrollo de baterías de estado sólido, que son candidatas prometedoras para la próxima generación de dispositivos de almacenamiento de energía. Uno de los mayores retos a la hora de diseñar estas baterías es lidiar con las dendritas que se forman en la superficie del ánodo. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y rompen la barrera entre el ánodo y el cátodo, provocando un cortocircuito en la batería o incluso un incendio.
Las dendritas se forman cuando los iones de litio se desplazan del cátodo al ánodo durante la carga y se adhieren a la superficie del ánodo en un proceso conocido como chapado. Esto crea una superficie irregular, no homogénea, y permite que las dendritas arraiguen. Cuando la batería se descarga, es necesario eliminar la capa de revestimiento del ánodo. Pero cuando el revestimiento es desigual, el proceso de eliminación puede ser lento y producir baches, lo que provoca más irregularidades en la superficie y más crecimiento de dendritas.
Las baterías de ánodo de metal de litio se consideran el santo grial de las baterías porque tienen diez veces más capacidad que los ánodos de grafito comerciales y podrían aumentar drásticamente la distancia de conducción de los vehículos eléctricos. Nuestra investigación es un paso importante hacia baterías de estado sólido más prácticas para aplicaciones industriales y comerciales.
Xin Li, profesor asociado de Ciencia de Materiales de SEAS.
En 2021, Li y su equipo propusieron una solución para hacer frente a las dendritas creando una batería multicapa que incorporaba distintos materiales con estabilidades variables entre el ánodo y el cátodo. Este diseño permitía la penetración controlada y contenida de las dendritas de litio.
En su reciente investigación, Li y su equipo han empleado partículas de silicio de tamaño micrométrico en el ánodo para evitar la formación de dendritas limitando la reacción de litiación y favoreciendo el recubrimiento uniforme de una gruesa capa de metal de litio.
En este diseño concreto, cuando los iones de litio se desplazan del cátodo al ánodo durante la carga, la reacción de litiación se constriñe en la superficie poco profunda, y los iones se adhieren a la superficie de la partícula de silicio pero no penetran más allá.
A diferencia de las baterías de iones de litio líquidos, en las que los iones de litio penetran profundamente en el silicio y lo dañan, en una batería de estado sólido los iones de litio sólo se adhieren a la superficie de las partículas de silicio. Los iones de la superficie del silicio se constriñen y sufren el proceso dinámico de litiación para formar un revestimiento metálico de litio alrededor del núcleo del silicio.
Estas partículas recubiertas crean una superficie homogénea, que ayuda a distribuir uniformemente la densidad de corriente e impide el crecimiento de dendritas. Esto permite que la batería se recargue en sólo unos 10 minutos, ya que el chapado y la eliminación pueden producirse rápidamente en una superficie homogénea.
Los investigadores construyeron una versión más grande de la batería, entre 10 y 20 veces mayor que la pila de botón que se fabrica en la mayoría de los laboratorios universitarios. Esta pila de botón del tamaño de un sello de correos conservó el 80% de su capacidad tras 6.000 ciclos, superando a otras pilas de botón del mercado actual.
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard concedió la licencia de la tecnología a Adden Energy, una empresa derivada de Harvard fundada por Li y tres antiguos alumnos de Harvard. La empresa ha ampliado la tecnología para fabricar una batería de pilas de bolsillo del tamaño de un teléfono inteligente.
El equipo también caracterizó las propiedades que permiten al silicio limitar la difusión del litio, lo que posibilita un proceso dinámico para el recubrimiento uniforme con litio. También pudieron definir un descriptor de propiedades único para identificar materiales que pudieran ofrecer un rendimiento similar y encontraron docenas de otros posibles candidatos.
Investigaciones anteriores habían descubierto que otros materiales, incluida la plata, podían servir como buenos materiales en el ánodo de las baterías de estado sólido. Nuestra investigación explica un posible mecanismo subyacente del proceso y proporciona una vía para identificar nuevos materiales para el diseño de baterías.
Xin Li
Vía harvard.edu
