¿Estalactitas y estalagmitas en la batería?

Una nueva investigación podría conducir a baterías más duraderas

20.03.2023 - Alemania

Se consideran el "Santo Grial" de la investigación en baterías: las llamadas "baterías de estado sólido". Ya no tienen un núcleo líquido, como las baterías actuales, sino que están formadas por un material sólido. Esto conlleva varias ventajas: Entre otras cosas, estas baterías son más difíciles de encender y también pueden fabricarse a escala miniaturizada. Científicos del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros han centrado ahora su atención en el ciclo de vida de este tipo de baterías y en procesos específicos que lo reduzcan. Gracias a sus hallazgos, en el futuro podrían fabricarse baterías de estado sólido más duraderas.

Ya sea en un coche eléctrico, un teléfono móvil o un destornillador inalámbrico, muchos aparatos de uso cotidiano utilizan ahora pilas recargables. Sin embargo, esta tendencia también tiene sus inconvenientes. Por ejemplo, se prohibió llevar ciertos teléfonos móviles en los aviones, o los coches electrónicos se incendiaron. Las modernas baterías comerciales de iones de litio son sensibles a las tensiones mecánicas.

Las llamadas "baterías de estado sólido" podrían ser la solución. Éstas ya no contienen un núcleo líquido -el llamado electrolito-, sino que están formadas enteramente por material sólido, por ejemplo, un conductor iónico cerámico. Como resultado, son mecánicamente robustas, no inflamables, fáciles de miniaturizar e insensibles a las fluctuaciones de temperatura.

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Pero las baterías de estado sólido muestran sus problemas tras varios ciclos de carga y descarga: Aunque al principio los polos positivo y negativo de la batería siguen estando eléctricamente separados entre sí, con el tiempo se conectan eléctricamente entre sí por procesos internos de la batería: Las "dendritas de litio" crecen lentamente en la batería. Estas dendritas de litio crecen paso a paso durante cada proceso de carga hasta que los dos polos se conectan. El resultado: la batería sufre un cortocircuito y "muere". Hasta ahora, sin embargo, no se conocen bien los procesos físicos exactos que tienen lugar en este proceso.

Un equipo dirigido por Rüdiger Berger, del departamento de Hans-Jürgen Butt, ha abordado ahora el problema y ha utilizado un método especial de microscopía para investigar los procesos con más detalle. Investigaron la cuestión de dónde empiezan a crecer las dendritas de litio. ¿Es como en una cueva de piedra fluida, donde las estalactitas crecen desde el techo y las estalagmitas desde el suelo hasta que se unen en el centro y forman la llamada "estalagmita"? En una pila no hay arriba ni abajo, pero ¿las dendritas crecen del polo negativo al positivo o del positivo al negativo? ¿O crecen por igual en ambos polos? ¿O hay lugares especiales en la pila que conducen a la nucleación y, a partir de ahí, al crecimiento dendrítico?

El equipo de Rüdiger Berger se fijó especialmente en los llamados "límites de grano" del electrolito sólido cerámico. Estos límites se forman durante la producción de la capa sólida: Los átomos de los cristales de la cerámica están dispuestos de forma muy regular. Sin embargo, debido a pequeñas fluctuaciones aleatorias en el crecimiento de los cristales, se forman estructuras similares a líneas en las que los átomos están dispuestos de forma irregular, lo que se conoce como "límite de grano".

Estos límites de grano son visibles con su método de microscopía - "microscopía de fuerza de sonda Kelvin"-, en el que se escanea la superficie con una punta afilada. Chao Zhu, estudiante de doctorado que trabaja con Rüdiger Berger, explica: "Si la batería de estado sólido se carga, la microscopía de fuerza de sonda Kelvin observa que los electrones se acumulan a lo largo de los límites de grano, especialmente cerca del polo negativo". Esto último indica que el límite de grano no sólo cambia la disposición de los átomos de la cerámica, sino también su estructura electrónica.

Debido a la acumulación de electrones -es decir, partículas negativas-, los iones de litio cargados positivamente que viajan en el electrolito sólido pueden reducirse a litio metálico. El resultado: se forman depósitos de litio y dendritas de litio. Si se repite el proceso de carga, la dendrita seguirá creciendo hasta que finalmente se conecten los polos de la batería. La formación de estas etapas iniciales para el crecimiento de dendritas sólo se observó en el polo negativo, también sólo en este polo. No se observó ningún crecimiento en el polo positivo opuesto.

Los científicos esperan que, con una comprensión precisa de los procesos de crecimiento, también podrán desarrollar formas eficaces de prevenir o al menos limitar el crecimiento en el polo negativo, de modo que en el futuro las baterías de litio de estado sólido, más seguras, también puedan utilizarse en aplicaciones de banda ancha.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

Zhu, C.; Fuchs, T.; Weber, S. A. L.; Richter, F. H.; Glasser, G.; Weber, F.; Butt, H.-J.; Janek, J. & Berger, R.; Understanding the evolution of lithium dendrites at Li6.25Al0.25La3Zr2O12 grain boundaries via operando microscopy techniques; Nature Communications, Springer Science and Business Media LLC, 2023, 14

https://www.quimica.es/noticias/1179873/estalactitas-y-estalagmitas-en-la-bateria.html