Un descubrimiento de los investigadores del MIT podría finalmente abrir la puerta al diseño de un nuevo tipo de batería de litio recargable que es más liviana, compacta y segura que las versiones actuales, y que ha sido buscada por laboratorios de todo el mundo durante años.

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 para 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, que se publica hoy en la revista Joule en un artículo del profesor del MIT Yet-Ming Chiang, el estudiante graduado Cole Fincher y otros cinco del 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 dice 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”, dice Chiang. «Entonces, hay un aumento en el volumen en el lado de la celda donde se deposita el litio. Y si hay fallas microscópicas presentes, esto generará una presión sobre esas fallas que pueden 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.

Si bien anteriormente, algunos investigadores pensaron que las dendritas se formaban por un proceso puramente electroquímico, en lugar de uno mecánico, los experimentos del equipo demuestran que son las tensiones mecánicas las que causan el problema.

El proceso de formación de dendritas normalmente tiene lugar en lo profundo de los materiales opacos de la celda de la batería y no se puede observar directamente, por lo que Fincher desarrolló una forma de hacer celdas delgadas utilizando un electrolito transparente, lo que permite ver y registrar todo el proceso directamente. «Puedes ver lo que sucede cuando aplicas una compresión en el sistema, y ​​puedes ver si las dendritas se comportan o no de una manera acorde con un proceso de corrosión o un proceso de fractura», dice.

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.

En sus pruebas, los investigadores utilizaron presión inducida al doblar el material, que se transformó en una viga con un peso en un extremo. Pero dicen que, en la práctica, podría haber muchas formas diferentes de producir el estrés necesario. Por ejemplo, el electrolito podría fabricarse con dos capas de material que tengan diferentes cantidades de expansión térmica, de modo que haya una flexión inherente del material, como se hace en algunos termostatos.

Otro enfoque sería «dopar» el material con átomos que quedarían incrustados en él, distorsionándolo y dejándolo en un estado de tensión permanente. Este es el mismo método que se usa para producir el vidrio súper duro que se usa en las pantallas de los teléfonos inteligentes y las tabletas, explica Chiang. Y la cantidad de presión necesaria no es extrema : los experimentos demostraron que presiones de 150 a 200 megapascales eran suficientes para evitar que las dendritas cruzaran el electrolito.

La presión requerida es «conmensurable con las tensiones que comúnmente se inducen en los procesos comerciales de crecimiento de películas y muchos otros procesos de fabricación», por lo que no debería ser difícil de implementar en la práctica, agrega Fincher.

De hecho, a menudo se aplica un tipo diferente de estrés, llamado presión de pila, a las celdas de la batería, esencialmente aplastando el material en la dirección perpendicular a las placas de la batería, algo así como comprimir un sándwich colocando un peso encima. Se pensó que esto podría ayudar a evitar que las capas se separaran. Pero los experimentos ahora han demostrado que la presión en esa dirección en realidad exacerba la formación de dendritas. «Demostramos que este tipo de presión de pila en realidad acelera la falla inducida por dendritas», dice Fincher.

En cambio, lo que se necesita es presión a lo largo del plano de las placas, como si el sándwich fuera exprimido por los lados. «Lo que hemos demostrado en este trabajo es que cuando aplicas una fuerza de compresión, puedes obligar a las dendritas a viajar en la dirección de la compresión», dice Fincher, y si esa dirección es a lo largo del plano de las placas, las dendritas «se moverán». Nunca llegues al otro lado».

Eso finalmente podría hacer que sea práctico producir baterías utilizando electrolitos sólidos y electrodos de litio metálico. Estos no solo acumularían más energía en un volumen y peso determinados, sino que también eliminarían la necesidad de electrolitos líquidos, que son materiales inflamables.

Habiendo demostrado los principios básicos involucrados, el siguiente paso del equipo será tratar de aplicarlos a la creación de un prototipo de batería funcional, dice Chiang, y luego descubrir exactamente qué procesos de fabricación serían necesarios para producir tales baterías en cantidad. Aunque han solicitado una patente, los investigadores no planean comercializar el sistema por sí mismos, dice, ya que ya hay empresas que trabajan en el desarrollo de baterías de estado sólido. «Diría que esto es una comprensión de los modos de falla en las baterías de estado sólido que creemos que la industria debe conocer y tratar de usar para diseñar mejores productos», dice.

El equipo de investigación incluyó a Christos Athanasiou y Brian Sheldon en la Universidad de Brown, y Colin Gilgenbach, Michael Wang y W. Craig Carter en el MIT. El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. el Departamento de Defensa de EE. UU. la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU.