Este avance allana el camino hacia baterías de alta densidad que no se dañen

La investigación de baterías tiene diferentes obstáculos y cuellos de botella, pero hay un problema que destaca: las dendritas que aparecen en las celdas y limitan su vida útil. Ajhora, una nueva investigación dirigida por el MIT asegura que ha descubierto la raíz del problema y demostrado cómo anular esa degradación: eluso inteligente de la tensión mecánica.

Las dendritas son filamentos metálicos muy delgados, como tentáculos, que se desarrollan en el electrodo de una batería de litio a medida que cumple ciclos de carga y descarga. Serpentean hasta colarse en el electrolito y causan problemas como cortocircuitos, calentamientos e incluso incendios. Hay diversos enfoques para evitar el crecimiento de las dendritas, pero los autores de este nuevo estudio tienen uno radicalmente distintos.

Los científicos estaban experimentando con una batería de estado sólido cuando observaron algo inesperado. Como en una batería típica, los iones de litio se transportan entre dos electrodos a medida que el dispositivo se carga y descarga, pasándolos a través del electrolito sólido. A pesar de que este se había fabricado en un material relativamente duro, el litio suave podía penetrarlo a medida que los iones se movían entre los electrodos a ambos lados. ¿Por qué? Por los cambios en el volumen de los electrodos a medida que aceptan y depositan litio, que puede provocar un estrés mecánico problemático.

“Para depositar este metal, tiene que haber una expansión del volumen porque estás agregando nueva masa”, asegura el profesor Yet-Ming Chiang del MIT. “Entonces, hay un aumento de volumen en el lado de la celda donde se deposita el litio. Si hay fallas microscópicas presentes, generará una presión sobre ellas que puede causar grietas”. Son esas grietas las que luego permiten que se formen las dendritas.

Los investigadores estudiaron este proceso en un material de electrolito experimental, transparente. Esto ayudó mucho, pues las dendritas se forman dentro de los materiales opacos de una celda de batería, de ahí las ideas contradictorias sobre qué las causa y cómo deteneras.

Una vez visto, el equipo de investigación demostró que se puede aplicar tensión mecánica para dirigir el crecimiento de las dendritas, haciéndolas zigzaguear perfectamente en línea con la dirección de la presión. Ojo, no pudieron evitar que se formaran por completo, pero sí que pueden enviarse a lo largo del electrodo, en lugar de que vayan directamente al electrolito a causar estragos.

Todo esto se ha visto en laboratorio, otra cosa es lograrlo en una batería en la vida real. Para ello desde el MIT proponen incorporar materiales con diferentes propiedades de expansión térmica para inducir la flexión y, a su vez, el estrés mecánico. Lo bueno es que no se necesitan presiones salvajes para controlar el crecimiento de las dendritas, no es difícil, segun el equipo, llegar a imlementarlas.

Si consiguen diseñar una batería en la que las dendritas crezcan a través de los electrodos sin causar daño,  podría acelerarse la creación de nuevas arquitecturas de batería de metal de litio de estado sólido. Empleando litio puro como uno de los ánodos en lugar de grafito y cobre, podrían ofrecerse mejores densidades de energía, más ligeras y seguras al no usar electrolitos líquidos inflamables. Y ese es su punto siguiente: crear una batería funcional con esta forma de tensión mecánica que dirija la dirección de la formación de dendritas.

Vía: Joule

Fuente: MIT