Un nuevo estudio podría ayudar a descubrir baterías "revolucionarias" para vehículos eléctricos y aviación
Se desvelan los mecanismos que provocan el fallo de las pilas de litio metálico de estado sólido
Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford y publicado en Nature podría suponer un paso adelante en la mejora de las baterías de los vehículos eléctricos. Mediante técnicas avanzadas de imagen, se han descubierto los mecanismos que provocan el fallo de las baterías de litio metálico en estado sólido (Li-SSB). Si estos mecanismos se superan, las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio podrían suponer un cambio radical en la autonomía, la seguridad y el rendimiento de los vehículos eléctricos y contribuir al avance de la aviación eléctrica.
Uno de los coautores del estudio, Dominic Melvin, estudiante de doctorado del Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford, declaró: "El progreso de las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio es uno de los retos más importantes a los que se enfrenta el avance de las tecnologías de baterías. Aunque las baterías de iones de litio actuales seguirán mejorando, la investigación en baterías de estado sólido tiene el potencial de ser muy rentable y una tecnología que cambie las reglas del juego".
Las Li-SSB se distinguen de otras baterías porque sustituyen el electrolito líquido inflamable de las baterías convencionales por un electrolito sólido y utilizan litio metálico como ánodo (electrodo negativo). El uso del electrolito sólido mejora la seguridad, y el uso de litio metálico permite almacenar más energía. Sin embargo, un problema crítico de las Li-SSB es que son propensas a los cortocircuitos durante la carga debido al crecimiento de "dendritas": filamentos de metal de litio que se agrietan a través del electrolito cerámico. Como parte del proyecto SOLBAT de la Institución Faraday, investigadores de los Departamentos de Materiales, Química y Ciencias de la Ingeniería de la Universidad de Oxford han dirigido una serie de investigaciones en profundidad para comprender mejor cómo se produce este cortocircuito.
En este último estudio, el grupo utilizó una técnica de imagen avanzada llamada tomografía computarizada de rayos X en la Diamond Light Source para visualizar el fallo de las dendritas con un detalle sin precedentes durante el proceso de carga. El nuevo estudio de imágenes reveló que el inicio y la propagación de las grietas dendríticas son procesos separados, impulsados por mecanismos subyacentes distintos. Las grietas dendríticas se inician cuando el litio se acumula en los poros subsuperficiales. Cuando los poros se llenan, la carga adicional de la batería aumenta la presión, lo que provoca las grietas. En cambio, la propagación se produce cuando el litio sólo llena parcialmente la grieta, a través de un mecanismo de apertura en cuña que impulsa la grieta desde atrás.
Estos nuevos conocimientos señalan el camino a seguir para superar los retos tecnológicos de las Li-SSB. En palabras de Dominic Melvin: "Por ejemplo, aunque la presión en el ánodo de litio puede ser buena para evitar que se formen fisuras en la interfaz con el electrolito sólido durante la descarga, nuestros resultados demuestran que un exceso de presión puede ser perjudicial, ya que aumenta la probabilidad de propagación de dendritas y cortocircuitos durante la carga".
Sir Peter Bruce, catedrático Wolfson de Materiales de la Universidad de Oxford, científico jefe de la Institución Faraday y autor correspondiente del estudio, declaró: "El proceso por el que un metal blando como el litio puede penetrar en un electrolito cerámico duro y muy denso ha resultado difícil de entender, con muchas contribuciones importantes de científicos excelentes de todo el mundo. Esperamos que los conocimientos adicionales que hemos obtenido contribuyan al avance de la investigación sobre baterías de estado sólido hacia un dispositivo práctico".
Según un informe reciente de la Institución Faraday, las SSB podrían satisfacer el 50% de la demanda mundial de baterías en electrónica de consumo, el 30% en transporte y más del 10% en aeronaves para 2040.
La profesora Pam Thomas, directora general de la Faraday Institution, ha declarado: "Los investigadores de SOLBAT siguen desarrollando una comprensión mecánica del fallo de las baterías de estado sólido, un obstáculo que hay que superar antes de que se puedan fabricar baterías de alta potencia con un rendimiento comercialmente relevante para aplicaciones de automoción. El proyecto está sirviendo de base a estrategias que los fabricantes de celdas podrían utilizar para evitar el fallo de las mismas en esta tecnología. Esta investigación inspirada en aplicaciones es un excelente ejemplo del tipo de avances científicos para cuyo impulso se creó la Institución Faraday".
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.
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