Científicos de la Universidad de Harvard han diseñado un nuevo y prometedor diseño de batería experimental que, según afirman, podría dar lugar a coches eléctricos que se cargaran en tan sólo 10 minutos.
La arquitectura alternativa también ofrece una vida útil mucho más larga que la de otras baterías similares, ya que usa un metal de litio de alto rendimiento y un electrolito sólido que se mantiene estable durante miles de ciclos.
Los científicos esperan mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio actuales cambiando el grafito y el cobre usados para el ánodo por el metal de litio. El ánodo trabaja con un electrolito líquido y el otro electrodo de la batería, el cátodo, para pasar iones de un lado a otro mientras el dispositivo se carga y descarga, y la excelente capacidad y densidad del metal de litio lo convierten en un material atractivo para estos fines.
Las baterías de litio-metal se consideran el santo grial de la química de las baterías por su gran capacidad y densidad energética. Pero la estabilidad de estas baterías siempre ha sido escasa.
Xin Li, profesor asociado de ciencia de los materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.
Las razones de esta escasa estabilidad son unas diminutas protuberancias en forma de aguja llamadas dendritas, que se forman en la superficie del ánodo de metal de litio, se abren paso en el electrolito líquido y erosionan el rendimiento de la batería, provocando a menudo un cortocircuito o un incendio.
Usar un electrolito sólido en lugar de uno líquido con sus disolventes volátiles es una de las formas en que los científicos esperan evitar este problema. Últimamente hemos visto posibles soluciones prometedoras procedentes de grupos de investigación del MIT, y ahora los científicos de Harvard lanzan un diseño que se asemeja a un sándwich BLT.
El equipo trató de proteger su batería de metal de litio de estado sólido de la destrucción causada por las dendritas construyéndola con diferentes capas, cada una con diferentes grados de estabilidad. Estas se sitúan entre los dos electrodos, que hacen las veces de pan, e incluyen una capa de grafito (lechuga), una primera capa de electrolito (tomate), una segunda capa de electrolito (bacon) y, por último, otra capa del primer electrolito (de nuevo tomate).
Hay ligeras variaciones en la química de los dos electrolitos, lo que hace que el primero sea propenso a la penetración de dendritas pero más estable con el litio, y el segundo menos estable con el litio pero inmune a las dendritas. De este modo, la batería no impide la formación de dendritas, sino que es capaz de controlarlas y contenerlas con seguridad, quedando las protuberancias bloqueadas por la capa de «tocino» del sándwich.
Nuestra estrategia de incorporar la inestabilidad para estabilizar la pila parece contraria a la intuición, pero al igual que un ancla puede guiar y controlar un tornillo que se introduce en una pared, nuestro diseño multicapa también puede guiar y controlar el crecimiento de las dendritas.
Luhan Ye, coautor del artículo y estudiante de posgrado en SEAS.
Además, la batería es capaz de repararse a sí misma rellenando los huecos creados por las dendritas. En las pruebas, el equipo descubrió que la batería conservaba el 82% de su capacidad después de 10.000 ciclos y demostró el tipo de densidad de corriente que algún día podría permitir que los vehículos eléctricos se cargaran en 10 o 20 minutos.
Este diseño experimental demuestra que las baterías de litio-metal en estado sólido podrían ser competitivas con las baterías comerciales de iones de litio. Y la flexibilidad y versatilidad de nuestro diseño multicapa lo hace potencialmente compatible con los procedimientos de producción en masa de la industria de las baterías. Ampliarlo a la batería comercial no será fácil y todavía hay algunos retos prácticos, pero creemos que se superarán.
Xin Li.
Más información: www.nature.com
Vía harvard.edu
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