Un equipo de investigadores de la Universidad de Brown, en el estado de Rhode Island, ha utilizado óxido de grafeno reducido (rGO) para mejorar la resistencia del electrolito sólido de las baterías de litio. Frente a los electrolitos sólidos cerámicos que se han desarrollado hasta ahora, al añadir un nanomaterial como el grafeno, que se aplica en forma de plaquetas, se logra duplicar la resistencia a la fractura respecto al material cerámico original. Esto supone un importante avance en esta tecnología puesto que elimina el problema de la fragilidad de este tipo de electrolito y permite su uso en baterías de vehículos eléctricos.

Las baterías de litio con electrolito sólido son actualmente las que más atención están recibiendo por parte de los investigadores. El objetivo es lograr una mayor densidad energética, empleando materiales más seguros y con la promesa de una reducción de costes. Hasta ahora, los los electrolitos sólidos más prometedores se basan en el uso de materiales cerámicos. La mayoría de las investigaciones se han centrado en optimizar las propiedades químicas de estos materiales. En cambio, los investigadores de Brown han buscado mejorar sus propiedades físicas.

Los electrolitos sólidos cerámicos no pueden inflamarse, lo que los convierte en componentes muy seguros ante la elevación de temperatura que se produce en las baterías. Además, se ha demostrado que evitan la formación de dendritas de litio sobre los electrodos, alargando la vida útil de las baterías y permitiendo elevar el voltaje de funcionamiento. Pero no todo son ventajas. La cerámica es un material altamente frágil que puede fracturarse durante el proceso de fabricación y durante el uso.

La resistencia a la fractura de un material se define como su capacidad para soportar el agrietamiento sin desmoronarse. En el caso del electrolito de las baterías, la resistencia debe ser elevada para poder mantener las propiedades eléctricas necesarias y seguir funcionando como tal. En esta investigación, el equipo de Brown quería comprobar si la mezcla de un material cerámico con grafeno era capaz de lograr este propósito.

La investigación muestra que el óxido de grafeno reducido (rGO) puede ayudar a prevenir la propagación de grietas en los materiales cerámicos utilizados en el electrolito de la batería. Foto: Laboratorio Sheldon/Universidad Brown.

Christos Athanasiou, director de la investigación, ha trabajado con los profesores de ingeniería de Brown, Brian Sheldon y Nitin Padture, quienes durante años han empleado nanomateriales como endurecedores de los materiales cerámicos que se usan en la industria aeroespacial. Los investigadores fabricaron pequeñas plaquetas de óxido de grafeno mezcladas con un polvo de cerámica llamada LATP. La mezcla fue calentada posteriormente para conseguir que ambos compuestos formasen un material único.

Sobre este material se realizaron pruebas mecánicas que mostraron un aumento de la resistencia media ante la fractura de hasta el doble respecto a la del material cerámico sin mezclar. Según explica Athanasiou en la revista Matter, donde se ha publicado la investigación, cuando se forma una grieta en el material, “las plaquetas de grafeno detienen su evolución manteniendo unidas las superficies de ambos lados”, de modo que es necesario aplicar más energía para que la grieta siga avanzando.

Los experimentos realizados en el laboratorio mostraron también que el grafeno no interfiere en las propiedades eléctricas del material. La característica principal de un electrolito es que no es un conductor eléctrico; a través de él viajan los iones, pero no la electricidad. Sin embargo, una de las propiedades del grafeno es precisamente su conductividad eléctrica. Para lograr que esta mezcla funcione “la clave era asegurarse de añadir la cantidad correcta de grafeno a la cerámica”, asegura Padture. Si la cantidad está por debajo de la necesaria se pierde resistencia y si es mayor, el electrolito se convierte en un conductor eléctrico.

Mediciones de la resistencia a la fractura del electrolito sólido cerámico reforzado con plaquetas de grafeno.

En conjunto, los resultados de la investigación abren la puerta al uso de nanocompuestos como el grafeno para aumentar la resistencia a la rotura del electrolito sólido de las baterías lo que permitiría implementarlas con seguridad en los vehículos eléctricos. El equipo de investigación continuará trabajando para mejorar el material, probando diferentes nanomateriales y distintos tipos de electrolitos cerámicos.