Una nueva investigación, realizada por ingenieros del Massachusetts Institute of Technology (MIT), en asociación con otras universidades, podría ser el origen de la nueva generación de baterías que acumulen más energía y duren más.
La base principal de este desarrollo se encuentra en el metal de litio puro concentrado en uno de los dos electrodos de la batería, el ánodo.
El nuevo concepto de electrodo proviene del laboratorio de Ju Li, el Profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Este sistema fue descrito en el más reciente número de la revista Nature, en él participaron Yuming Chen y Ziqiang Wang de MIT, junto con otros 11 participantes de en Hong Kong, Florida y Texas.
El diseño es parte de un concepto para desarrollar baterías seguras de estado sólido, dispensando el líquido o el gel de polímero que generalmente se usa como material electrolítico entre los dos electrodos de la batería. Un electrolito permite que los iones de litio viajen de un lado a otro durante los ciclos de carga y descarga de la batería, y una versión completamente sólida podría ser más segura que los electrolitos líquidos, que tienen una alta volatilidad y han sido la fuente de explosiones en las baterías de litio.
“Se ha trabajado mucho en baterías de estado sólido, con electrodos de metal de litio y electrolitos sólidos”, dice Li, pero estos esfuerzos han enfrentado una serie de problemas.
Uno de los mayores problemas es que cuando la batería se carga, los átomos se acumulan dentro del metal de litio, lo que hace que se expanda. El metal se encoge nuevamente durante la descarga, a medida que se usa la batería. Estos cambios repetidos en las dimensiones del metal, algo así como el proceso de inhalar y exhalar, dificultan que los sólidos mantengan un contacto constante y tienden a hacer que el electrolito sólido se fracture o se desprenda.
Otro problema es que ninguno de los electrolitos sólidos propuestos es químicamente estable mientras está en contacto con el litio metálico altamente reactivo, y tiende a degradarse con el tiempo.
La mayoría de los intentos para superar estos problemas se han centrado en diseñar materiales electrolíticos sólidos que sean absolutamente estables frente al metal de litio, lo que resulta difícil. En cambio, Li y su equipo adoptaron un diseño inusual que utiliza dos clases adicionales de sólidos, “conductores iónicos y electrónicos mixtos” (MIEC) y “aisladores de iones de litio y electrones” (ELI), que son químicamente estables en contacto con el litio.
Los investigadores desarrollaron una nanoarquitectura tridimensional en forma de una matriz en forma de panal de tubos MIEC hexagonales, parcialmente infundidos con el metal de litio sólido para formar un electrodo de la batería, pero con espacio adicional dentro de cada tubo.
Cuando el litio se expande en el proceso de carga, fluye hacia el espacio vacío en el interior de los tubos, moviéndose como un líquido a pesar de que retiene su estructura cristalina sólida. Este flujo, completamente confinado dentro de la estructura de panal, alivia la presión de la expansión causada por la carga, pero sin cambiar las dimensiones externas del electrodo o el límite entre el electrodo y el electrolito. El otro material, el ELI, sirve como un aglutinante mecánico crucial entre las paredes del MIEC y la capa de electrolitos sólidos.
“Diseñamos esta estructura que nos da electrodos tridimensionales, como un panal”, dice Li. Los espacios vacíos en cada tubo de la estructura permiten que el litio se “arrastre hacia atrás” en los tubos, “y de esa manera, no acumula tensión para romper el electrolito sólido”. El litio en expansión y contracción dentro de estos tubos se mueve y afuera, como los pistones de un motor de automóvil dentro de sus cilindros. Debido a que estas estructuras están construidas en dimensiones a nanoescala (los tubos tienen un diámetro de aproximadamente 100 a 300 nanómetros y una altura de decenas de micras), el resultado es como “un motor con 10,000 millones de pistones, con litio metálico como fluido de trabajo”, explicó Li.
Debido a que las paredes de estas estructuras en forma de panal están hechas de MIEC químicamente estable, el litio nunca pierde contacto eléctrico con el material, dijo Li. Por lo tanto, toda la batería sólida puede permanecer mecánica y químicamente estable a medida que pasa por sus ciclos de uso. El equipo ha probado el concepto experimentalmente, sometiendo a un dispositivo de prueba a 100 ciclos de carga y descarga sin producir ninguna fractura de los sólidos.
Un nuevo concepto para un cátodo más ligero fue descrito por otro equipo dirigido por Li, en un artículo que apareció el mes pasado en la revista Nature Energy, coautor del postdoctorado MIT Zhi Zhu y el estudiante graduado Daiwei Yu. El material reduciría el uso de níquel y cobalto, que son caros y tóxicos, pero son los que se usan en los cátodos actuales.
El nuevo cátodo no se basa únicamente en la contribución de capacidad de estos metales de transición en el ciclo de la batería. En cambio, dependería más de la capacidad redox del oxígeno, que es mucho más ligera y abundante. Pero en este proceso, los iones de oxígeno se vuelven más móviles, lo que puede hacer que escapen de las partículas del cátodo. Los investigadores utilizaron un tratamiento superficial a alta temperatura con sal fundida para producir una capa superficial protectora en partículas de óxido de metal rico en manganeso y litio, por lo que la cantidad de pérdida de oxígeno se reduce drásticamente.
A pesar de que la capa superficial es muy delgada, de solo 5 a 20 nanómetros de espesor en una partícula de 400 nanómetros de ancho, proporciona una buena protección para el material subyacente. “Es casi como la inmunización”, dice Li, contra los efectos destructivos de la pérdida de oxígeno en las baterías usadas a temperatura ambiente. Las versiones actuales proporcionan al menos una mejora del 50% en la cantidad de energía que se puede almacenar para un peso dado, con una estabilidad de ciclismo mucho mejor.
El equipo solo ha construido dispositivos pequeños a escala de laboratorio hasta el momento, pero “espero que esto se pueda ampliar muy rápidamente”, expresó el profesor Li. Los materiales necesarios, principalmente manganeso, son significativamente más baratos que el níquel o el cobalto utilizados por otros sistemas, por lo que estos cátodos podrían costar tan poco como un quinto de las versiones convencionales.
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