Una nueva batería de estado sólido se carga en minutos y dura miles de ciclos

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Las baterías de metal de litio podrían ofrecer una densidad energética mucho mayor y un peso mucho menor que la tecnología de iones de litio gracias a la sustitución del grafito, más pesado, por metal de litio como ánodo. Sin embargo, uno de los mayores retos en el diseño de estas baterías es la formación de dendritas en la superficie del ánodo, lo que provoca que la batería se degrade rápidamente, se cortocircuite e incluso se incendie.

Investigadores del John A. Paulson SEAS de Harvard han desarrollado una nueva batería de metal de litio que resiste al menos 6.000 ciclos de carga y puede recargarse en cuestión de minutos.

Su investigación no sólo describe una nueva forma de fabricar baterías de estado sólido con un ánodo de metal de litio, sino que también ofrece nuevos conocimientos sobre la reacción de interfase entre el litio y los materiales del ánodo en este tipo de baterías.

“Las baterías con ánodos de metal de litio se consideran el santo grial de las baterías porque tienen diez veces más capacidad que los ánodos de grafito comerciales y podrían aumentar drásticamente la distancia de conducción de los vehículos eléctricos”, afirma Xin Li, profesor asociado de Ciencia de Materiales en SEAS y autor principal del trabajo. “Nuestra investigación es un paso importante hacia baterías de estado sólido más prácticas para aplicaciones industriales y comerciales”.

En 2021, Li y su equipo ofrecieron una forma de hacer frente a las dendritas diseñando una batería multicapa que intercalaba diferentes materiales de distinta estabilidad entre el ánodo y el cátodo. Este diseño multicapa y multimaterial impedía la penetración de las dendritas de litio no deteniéndolas por completo, sino controlándolas y conteniéndolas.

En la nueva investigación, Li y su equipo impiden la formación de dendritas utilizando partículas de silicio de tamaño micrométrico en el ánodo para constreñir la reacción de litiación y facilitar el recubrimiento homogéneo de una gruesa capa de metal de litio.

En este diseño, cuando los iones de litio se desplazan del cátodo al ánodo durante la carga, la reacción de litiación se constriñe en la superficie poco profunda y los iones se adhieren a la superficie de la partícula de silicio pero no penetran más allá.

“En nuestro diseño, el metal de litio se envuelve alrededor de la partícula de silicio, como una cáscara de chocolate duro alrededor de un núcleo de avellana en una trufa de chocolate”, explica Li.

Estas partículas recubiertas crean una superficie homogénea por la que se distribuye uniformemente la densidad de corriente, lo que impide el crecimiento de dendritas. Y, dado que el recubrimiento y la eliminación pueden producirse rápidamente en una superficie homogénea, la batería puede recargarse en sólo unos 10 minutos.

Los investigadores construyeron una versión de la pila del tamaño de un sello de correos, que es entre 10 y 20 veces mayor que la pila de botón que se fabrica en la mayoría de los laboratorios universitarios. La batería conservó el 80% de su capacidad después de 6.000 ciclos, superando así a otras baterías de botón del mercado, según informan los investigadores en “Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials” (Ciclos rápidos de litio metálico en baterías de estado sólido mediante materiales anódicos susceptibles a la constricción), publicado en nature materials.

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha concedido la licencia de la tecnología a Adden Energy, una empresa derivada de Harvard cofundada por Li y tres antiguos alumnos de Harvard. La empresa ha ampliado la tecnología para construir una batería de pilas de bolsillo del tamaño de un teléfono inteligente.

Li y su equipo también caracterizaron las propiedades que permiten al silicio constreñir la difusión del litio para facilitar el proceso dinámico que favorece el recubrimiento homogéneo de litio grueso. A continuación, definieron un descriptor de propiedades único para describir dicho proceso y lo calcularon para todos los materiales inorgánicos conocidos. Al hacerlo, el equipo descubrió docenas de otros materiales que podrían ofrecer un rendimiento similar.

“Investigaciones anteriores habían descubierto que otros materiales, incluida la plata, podían servir como buenos materiales en el ánodo de las baterías de estado sólido”, dijo Li. “Nuestra investigación explica un posible mecanismo subyacente del proceso y ofrece una vía para identificar nuevos materiales para el diseño de baterías”.

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