Un equipo de investigación del MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha presentado un nuevo diseño para los electrodos de las baterías que permite el uso de un electrolito completamente sólido, lo que podría conducir a un incremento muy importante de la densidad de energía. La química se basa en el uso en el ánodo de metal de litio puro con una nanoarquitectura de tubos que durante la carga y la descarga hace fluir el litio como si estuviera en un motor con 10.000 millones de pistones. Por su parte, el cátodo de óxido rico en litio degradado reduce el uso de níquel y cobalto resultando más ligero y económico.

Uno de los mayores problemas de las baterías de electrolito sólido es que, en el momento de la recarga, los iones se acumulen sobre el metal de litio, creando dendritas y haciendo que este expanda su volumen. El metal se encoge nuevamente durante la descarga, a medida que se usa la batería. Estos cambios repetidos en las dimensiones del metal dificultan que el electrolito sólido mantenga un contacto constante y tiende a fracturarse o desprenderse. Otro problema es que ninguno de los electrolitos sólidos propuestos hasta ahora es químicamente estable mientras está en contacto con el litio metálico altamente reactivo, y tiende a degradarse con el tiempo.

La nanoarquitectura de tubos del ánodo funciona como un motor con 10.000 millones de pistones

La mayoría de los intentos de superar estos problemas se han centrado en diseñar materiales electrolíticos sólidos que sean absolutamente estables frente al metal de litio, lo que resulta muy complicado. Muchas de las investigaciones trabajan con sistemas que funcionan mejor con un poco de electrolito líquido mezclado con el material de electrolito sólido. 

El nuevo concepto de electrodo ha sido desarrollado en conjunto por los equipos de investigación del MIT, la Universidad Politécnica de Hong Kong, la Universidad de Florida Central, la Universidad de Texas en Austin, Brookhaven National Laboratories en Upton, Nueva York y ha sido apoyado por la National Science Foundation. El desarrollo se ha realizado en el laboratorio de Ju Li, Profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance, director del proyecto.

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 metal de litio. La nueva batería es completamente sólida, no hay líquido ni gel de ningún tipo.

Túbulos de conductor MIEC hexagonales. Proceso esquemático de deposición-separación del litio.

Los investigadores han sido capaces de desarrollar una nanoarquitectura tridimensional en forma de matriz 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 sin cambiar las dimensiones externas del electrodo o el límite entre el electrodo y el electrolito. 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. El otro material, el ELI, sirve como un aglutinante mecánico crucial entre las paredes del MIEC y la capa de electrolitos sólidos.

Los espacios vacíos en cada tubo de la estructura permiten que el litio se “arrastre hacia atrás” en los tubos, eliminando la tensión que podría romper el electrolito sólido. El litio en expansión y contracción dentro de estos tubos entra y sale, como los pistones del motor de un automóvil dentro de sus cilindros. Toda la batería sólida puede permanecer mecánica y químicamente estable a medida que pasa por sus ciclos de uso. Debido a la nanoescala en las que estas estructuras están construidas (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”, explica Li.

Un cátodo compatible que reduce el níquel y el cobalto

La investigación se describe en un artículo en la revista Nature, escrito por Yuming Chen y Ziqiang Wang ambos del MIT, junto con otros 11 profesores de este prestigioso instituto. Paralelamente, en un artículo que apareció el mes pasado en la revista Nature Energy, otro equipo dirigido por Li describe un nuevo concepto para un cátodo de óxido rico en litio degradado más ligero. El material reduciría el uso de níquel y cobalto, que se usan en los cátodos actuales y que son caros y medioambientalmente inestables. Los materiales necesarios, como por ejemplo el manganeso, son significativamente más baratos que el níquel o el cobalto utilizados por otros sistemas, por lo que estos cátodos podrían costar la quinta parte que los convencionales.

El nuevo cátodo depende de la capacidad redox del oxígeno, que es mucho más ligero y abundante. Sin embargo, en el 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 sobre las 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, entre 5 y 20 nanómetros de espesor en una partícula de 400 nanómetros de ancho, proporciona una buena protección para el material subyacente.

Nuevas baterías sólidas

El equipo ha probado el concepto experimentalmente, sometiendo a un dispositivo de prueba a 100 ciclos de carga y descarga sin producir fractura de los sólidos. El nuevo sistema podría conducir a ánodos seguros con un peso de tan solo un cuarto del de sus homólogos convencionales manteniendo la misma capacidad de almacenamiento. 

Combinando el ánodo, el cátodo y el electrolito sólido este trabajo podría conducir a una reducción sustancial del peso total de las baterías de iones de litio. Así, por ejemplo, el equipo espera poder generar teléfonos móviles que solo necesiten ser cargados una vez cada tres días, sin aumentar el peso ni el volumen.

El conjunto logra prácticamente la inmunización contra los efectos destructivos de la pérdida de oxígeno en las baterías usadas a temperatura ambiente, asegura Li. Los prototipos actuales proporcionan al menos un 50% de mejora en la cantidad de energía que se puede almacenar para un peso dado, con una estabilidad superior en los ciclos de carga y descarga. Por ahora, el equipo ha construido dispositivos a escala de laboratorio, pero Li espera que esto se pueda ampliar muy rápidamente.