Investigadores de la SEAS de Harvard desarrollan una batería de estado sólido más duradera

Investigadores de Hardvard desarrollan una batería de estado sólido de larga duración

Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han desarrollado una batería de litio-metal de estado sólido más duradera que las existentes, además de cargarse mucho más rápido.

Las baterías de estado sólido son consideradas como las futura tecnología para ser implantada en los vehículos eléctricos. Una tecnología de la que ya hemos conocido multitud de avances científicos que afirman mejorarlas, estando además en juego unas grandes inversiones económicas realizadas por empresas dedicadas a ello como Quantum Scape o Solid Power, en la que grandes fabricantes como Volkswagen, Ford y BMW han invertido, así como los planes propios de otros fabricantes para no quedarse atrás, algunos incluso atreviéndose a desarrollarlas, como es el caso de Rivian.

Pero lo cierto es, que las baterías de estado sólido todavía juegan un papel incierto en diversos aspectos, sobretodo en cuando a su estabilidad, tal y como comenta el profesor asociado de ciencia de los materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard, Xin Li, que afirma lo siguiente:

“La batería de litio-metal se considera el santo grial de la química de las baterías por su gran capacidad y densidad energética. Pero la estabilidad de estas baterías siempre ha sido escasa.”

Li y su equipo han diseñado una batería estable de metal-litio en estado sólido que puede cargarse y descargarse al menos 10.000 veces, lo que es mucho más que las vistas hasta ahora. Para conseguir este hallazgo, los investigadores combinaron el nuevo diseño con un material catódico comercial de alta densidad energética. Explican:

“Esta tecnología de baterías podría aumentar la vida útil de los vehículos eléctricos hasta la de los de gasolina -de 10 a 15 años- sin necesidad de sustituir la batería. Gracias a su alta densidad de corriente, la batería podría allanar el camino hacia vehículos eléctricos que puedan cargarse completamente en 10 o 20 minutos.”

El gran reto de las baterías de litio-metal ha sido siempre la química, afirman. Las baterías de litio trasladan los iones de litio del cátodo al ánodo durante la carga. Cuando el ánodo es de metal de litio, se forman en la superficie unas estructuras en forma de aguja llamadas dendritas. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y perforan la barrera que separa el ánodo y el cátodo, provocando un cortocircuito en la batería o incluso un incendio.

Para superar este problema, Li y su equipo diseñaron una batería multicapa que intercala diferentes materiales de distinta estabilidad entre el ánodo y el cátodo. Esta batería multicapa y multimaterial impide la penetración de las dendritas de litio, no deteniéndolas del todo, sino controlándolas y conteniéndolas. Li, añadió:

“Nuestra investigación demuestra que la batería de estado sólido podría ser fundamentalmente diferente de la batería comercial de iones de litio de electrolito líquido. Al estudiar su termodinámica fundamental, podemos desbloquear un rendimiento superior y aprovechar sus abundantes oportunidades.”

Para simplificarlo y que sea entendido por todos, los investigadores comparan el hallazgo con un sándwich BLT, que en su receta original, contiene bacon, lechuga y tomate. Traducido a los térmicos científicos, explican:

“Piense en la batería como en un sándwich BLT. Primero viene el pan -el ánodo de metal de litio-, seguido de la lechuga -una capa de grafito-. A continuación, una capa de tomates -el primer electrolito- y una capa de bacon -el segundo electrolito-. Para terminar, otra capa de tomates y el último trozo de pan: el cátodo.”

Las dendritas crecen a través de la lechuga y el tomate pero se detienen en el tocino. La barrera del tocino impide que las dendritas las atraviesen y provoquen un cortocircuito en la batería. La clave, tal y como reitera Li, es el control de crecimiento de las dentritas. Li, concluye:

“Este diseño de prueba de concepto demuestra que las baterías de litio-metal en estado sólido podrían ser competitivas con las baterías comerciales de iones de litio. Y la flexibilidad y versatilidad de nuestro diseño multicapa lo hace potencialmente compatible con los procedimientos de producción en masa de la industria de las baterías. Ampliarlo a la batería comercial no será fácil y todavía hay algunos retos prácticos, pero creemos que se superarán.”