Un equipo de investigación formado por científicos del Laboratorio Nacional de Idaho (INL) y de la Universidad de California en San Diego ha encontrado una manera de aprovechar la recarga de las baterías de iones de litio para alargar su vida útil. El secreto está en la formación de litio vítreo en las etapas tempranas de formación de los átomos de litio en el proceso de recarga lenta, un material que, al contrario que el litio cristalino culpable de la formación de dendritas, eleva la vida útil de las baterías y mejora el proceso de recarga.

El descubrimiento del litio vítreo

El litio es considerado como un ánodo ideal para las baterías de alta energía, ya que permite reducir su peso significativamente, además de almacenar una gran cantidad de energía. El proceso de recarga de estas baterías implica la deposición de átomos de litio en la superficie del ánodo, un proceso que, por ahora, no se ha descrito bien a nivel atómico. Como otros metales, el litio también existe en una fase cristalina estructurada.

Normalmente, la superficie más estructurada de este depósito de litio disminuye la capacidad de la batería reduciendo su capacidad de recarga. Este litio “granulado” puede provocar una recarga irregular y la creación de cortocircuitos, porque los cristales pueden crecer de varias formas. La forma en que los átomos de litio se depositan en el ánodo puede variar de un ciclo de recarga al siguiente, probablemente influenciado por la agrupación temprana de los primeros átomos, un proceso conocido como nucleación.

La progresión inconsistente y la variabilidad del crecimiento de litio de un ciclo de recarga respecto a otro da como resultado formas irregulares (también conocidas como dendritas) acortando la vida útil de la batería. Esta recarga irregular y errática no puede soportar excesivos ciclos de recarga. “La nucleación inicial afectar el rendimiento, la seguridad y la fiabilidad de la batería”, asegurado Gorakh Pawar, uno de los dos autores principales del estudio, que ha sido publicado y puede consultarse en la web de Nature Materials.

Dendritas en las baterías de litio.

Durante el proceso de recarga lenta de una batería, los investigadores observaron las primeras etapas de la recarga de litio precisamente a ese nivel atómico todavía desconocido. Descubrieron que durante la formación temprana de los átomos de litio se creaba sobre los electrodos una superficie vítrea. Cuando el equipo de investigación intentó comprender el proceso de nucleación, se sorprendieron al saber que ciertas condiciones creaban una forma menos estructurada de litio, amorfo (como el vidrio) en lugar de cristalino (como el diamante). “En comparación con el litio cristalino, el litio vítreo le supera en reversibilidad electroquímica convirtiéndolo en una estructura muy adecuada para las baterías recargables de alta energía”, asegura el equipo. Esta nueva forma del metal aumenta el rendimiento de la batería.

Para su sorpresa, en sucesivos experimentos, hallaron que la carga lenta y de baja energía provocaba que los átomos de litio se depositaran en los electrodos de una manera desorganizada que mejora el comportamiento del proceso de recarga. Hasta ahora, no se había observado este litio vidrioso. La creación de nuevos metales amorfos, como es el caso, había sido hasta ahora extremadamente difícil de observar.

Para descubrir cómo los átomos de litio se unen por primera vez durante la recarga, los investigadores combinaron las imágenes de un microscopio electrónico que cuenta con un sistema de enfriamiento a base de nitrógeno líquido y el análisis de datos por ordenador. Este enfoque, les permitió observar la creación de “embriones” de metal de litio, y las simulaciones por computadora ayudaron a explicar lo que estaba pasando.

El litio vítreo se puede “fabricar”

El hallazgo de la existencia del litio vítreo fue una sorpresa para los investigadores, porque los metales elementales amorfos puros no se habían observado con anterioridad. A partir de ahí, el trabajo continuó para comprender qué condiciones favorecían la nucleación vítrea. El equipo descubrió que es más probable que un embrión de litio vítreo retenga su estructura amorfa durante la fase de crecimiento.

La recarga lenta favorece la creación de litio vítreo.

“Podemos fabricar metal amorfo en condiciones muy suaves a una velocidad de carga muy lenta”, asegura Boryann Liaw, miembro de la dirección de INL. El trabajo de modelado explicó cómo la cinética de reacción compite con la cristalización para impulsar la formación vítrea. El equipo confirmó esos hallazgos al crear formas vítreas en cuatro metales reactivos más que también pueden ser adecuados para ser empleados en baterías.

Litio vítreo para vehículos eléctricos

La investigación sugiere una forma de mejorar los depósitos vítreos de litio durante la recarga de baterías de alta energía. Cuando se aplica, el resultado podría ayudar a cumplir los objetivos del consorcio Battery500, una iniciativa del Departamento de Energía de Estado Unidos que está trabajando para alcanzar una densidad de energía a nivel de celda de 500 Wh/kg.

La formación de este nuevo material se da en los primeros momentos de la recarga y su descubrimiento desafía las expectativas, la lógica y la experiencia de los científicos. En el caso de las baterías que se pueden emplear en los coches eléctricos, este hallazgo permite seguir nuevas estrategias para ajustar con precisión la recarga y aumentar la vida útil de la batería. “La verdadera innovación tiene que venir de una comprensión científica muy básica de cualquier material o proceso”, afirma Liaw. Y lo que es más importante, “abre la puerta a una mejora significativa en las baterías, a catalizadores metálicos más efectivos, recubrimientos metálicos más fuertes y otras aplicaciones que podrían beneficiarse de los metales vítreos”.