En un avance significativo, investigadores de la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard han presentado un innovador diseño de batería de litio-metal capaz de soportar más de 6.000 ciclos de carga-descarga, superando a cualquier célula de batería de bolsa existente. Esta innovadora tecnología no sólo introduce un nuevo método para fabricar baterías de estado sólido con un ánodo de litio-metal, sino que también mejora nuestra comprensión de los materiales fundamentales para estas soluciones de almacenamiento de energía potencialmente revolucionarias. La investigación, publicada en Nature Materials, supone un paso prometedor hacia baterías de estado sólido más prácticas y eficientes para aplicaciones industriales y comerciales generalizadas.
Uno de los principales retos en el diseño de estas baterías gira en torno a la formación de dendritas en la superficie del ánodo. Las dendritas, parecidas a raíces, crecen en el electrolito y rompen las barreras entre el ánodo y el cátodo, lo que puede provocar cortocircuitos e incluso incendios. El equipo, dirigido por Xin Li, catedrático asociado de Ciencia de los Materiales de SEAS, había propuesto anteriormente un diseño de batería multicapa para mitigar los problemas relacionados con las dendritas intercalando diferentes materiales de distinta estabilidad entre el ánodo y el cátodo. Este método controlaba y contenía las dendritas, evitando que causaran daños.
En la última investigación, Li y su equipo han abordado la formación de dendritas incorporando partículas de silicio de tamaño micrométrico al ánodo. Estas partículas constriñen la reacción de litiación y favorecen el recubrimiento homogéneo de una gruesa capa de metal de litio. A diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, en las que los iones de litio penetran profundamente en el ánodo, el diseño de la batería de estado sólido confina los iones a la superficie de las partículas de silicio. El resultado es un proceso dinámico en el que el metal de litio forma una capa protectora alrededor del núcleo de silicio durante la reacción de litiación.
Las partículas de silicio recubiertas crean una superficie uniforme, impidiendo el crecimiento de dendritas y garantizando una distribución uniforme de la densidad de corriente. Este avance permite un chapado y decapado rápido y eficaz en la superficie uniforme, lo que permite recargar la batería en unos 10 minutos. Para validar la viabilidad de su diseño, los investigadores construyeron una versión de la batería con celda de bolsa del tamaño de un sello de correos, que superaba a otras baterías de celda de bolsa del mercado y conservaba el 80% de su capacidad tras 6.000 ciclos.
Además, la investigación no sólo ha introducido un diseño de batería exitoso, sino que también ha establecido un descriptor de propiedades único para materiales que facilitan el proceso dinámico que favorece el chapado homogéneo. Esto abre la puerta a la exploración de otros muchos materiales que podrían mostrar un rendimiento similar, lo que podría dar lugar a una gama más amplia de opciones para el diseño de baterías de estado sólido. El estudio revela que materiales como la plata también podrían servir como alternativas viables para el ánodo de las baterías de estado sólido, ampliando las posibilidades de futuros avances en el almacenamiento de energía.