Los teléfonos inteligentes, los vehículos eléctricos e innumerables dispositivos electrónicos portátiles dependen de baterías. A medida que aumenta la demanda de almacenamiento de energía avanzado, las mejoras en la capacidad, la vida útil y la seguridad de las baterías desempeñarán un papel importante en el futuro de la electrificación. Una de las tecnologías más prometedoras son las baterías de estado sólido, que podrían permitir que los teléfonos inteligentes funcionen durante varios días con una sola carga y dar a los vehículos eléctricos una autonomía tres veces mayor que muchos modelos actuales.
A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, que utilizan un electrolito líquido entre dos electrodos sólidos, las baterías de estado sólido reemplazan el líquido con un electrolito sólido. Este diseño ofrece varios beneficios potenciales, incluida una alta densidad de potencia, una seguridad mejorada y una mayor duración de la batería. Pero un problema persistente ha frenado la adopción comercial. Durante la carga, pequeñas estructuras parecidas a árboles llamadas dendritas pueden crecer desde el ánodo de litio, perforando el electrolito sólido y creando cortocircuitos internos.
Ahora, un equipo interdisciplinario del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles (MPI-Susmat) ha identificado cómo estas dendritas inician la fractura que, en última instancia, conduce a la falla de la batería. Sus hallazgos se publican en la revista. la naturaleza.
Cómo se agrietan las dendritas en las baterías de estado sólido
Exactamente cómo las dendritas blandas de litio logran atravesar un electrolito cerámico duro ha desconcertado a los investigadores durante mucho tiempo.
“Aunque los electrodos y las dendritas en formación están compuestos de litio metálico, que es tan blando como un osito de goma, las dendritas pueden penetrar el electrolito cerámico y provocar un cortocircuito”, dijo el Dr. Yuwei Zhang, primer autor de la nueva publicación y jefe del grupo de Quimiomecánica en Battery-MPIS. “¿Cómo pueden las dendritas blandas romper la cerámica dura? Hay dos hipótesis: o se acumula tensión interna dentro de las dendritas e induce la ruptura mecánica del electrolito sólido. O bien, la fuga de electrones a lo largo de los límites de los granos del electrolito sólido promueve la formación de núcleos de litio que luego se interconectan”.
Para determinar qué explicación era correcta, los investigadores utilizaron una combinación avanzada de técnicas de preparación de muestras y caracterización de materiales. Cada paso se realizó al vacío y a temperaturas criogénicas para eliminar la interferencia del oxígeno, el agua e incluso el haz de electrones del microscopio.
El equipo probó tanto la tensión interna como la deformación plástica de las dendritas de litio atrapadas dentro de las grietas. Su análisis no encontró acumulación de litio antes de la punta de la dendrita, lo que descarta un mecanismo propuesto.
“El metal blando de litio es capaz de penetrar el electrolito cerámico duro, de forma similar a un chorro de agua continuo que penetra una roca. Calculamos que la tensión hidrostática en las dendritas eventualmente conduce a una fractura frágil del electrolito duro”, dijo Zhang.
Los investigadores confirmaron sus conclusiones mediante simulaciones de campo de fase y mediciones de difracción de retrodispersión de electrones.
Nuevas técnicas para prevenir fallos en la batería
Con una mejor comprensión de cómo las dendritas fracturan los electrolitos sólidos, el equipo ahora está investigando formas de detener o retrasar el proceso.
Las posibles soluciones incluyen endurecer el electrolito sólido para que resista el agrietamiento durante largos períodos de tiempo, introducir huecos microscópicos que redireccionen el crecimiento de dendritas y desvíen las grietas de las áreas débiles, o agregar recubrimientos protectores a los electrodos de litio para reducir la formación de dendritas en primer lugar.
Los investigadores dicen que su trabajo demuestra la importancia de comprender cómo se comportan los materiales a nivel microscópico. Estos conocimientos podrían ayudar a transformar las baterías de estado sólido de un concepto prometedor a una tecnología práctica para futuros teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos.
