Revolucionar el almacenamiento de energía: baterías de litio con electrolito sólido ofrecen seguridad, capacidad y velocidad

Andrew Corselli

Representación artística de un recubrimiento atómicamente delgado de plata y algunos átomos de plata debajo de la superficie, protegiendo la estructura cristalina de un electrolito sólido de la presión mecánica. (Imagen: Chaoyang Zhao)

Un electrolito sólido —en lugar de líquido— entre los electrodos opuestos de una batería debería, en teoría, permitir una batería de litio metálico recargable que sea más segura, almacene mucha más energía y se cargue considerablemente más rápido que las baterías de iones de litio disponibles comercialmente hoy. Durante décadas, científicos e ingenieros han explorado varios caminos para realizar la gran promesa de las baterías de litio metálico. Un problema importante con los electrolitos sólidos cristalinos bajo estudio ha sido la formación de grietas microscópicas que crecen durante el uso hasta que la batería falla.

Investigadores de Stanford, basándose en hallazgos que publicaron hace tres años que identificaron cómo se forman y expanden estas pequeñas imperfecciones, han descubierto que el recocido de un recubrimiento de plata extremadamente delgado en la superficie del electrolito sólido parece resolver en gran medida el problema. Según se informa en Nature Materials, este recubrimiento endurece la superficie del electrolito cinco veces contra la fractura por presión mecánica. También hace que las imperfecciones existentes sean mucho menos vulnerables a la penetración de litio, especialmente durante la recarga rápida, que convierte nano fisuras en nano grietas y eventualmente deja la batería inservible.

"El electrolito sólido en el que nosotros y otros estamos trabajando para mejorar es una especie de cerámica que permite a los iones Li moverse fácilmente de un lado a otro, pero es frágil", dijo la Autora Principal Wendy Gu, Profesora Asociada de Ingeniería Mecánica. "En una escala increíblemente pequeña, no es muy diferente de los platos o cuencos de cerámica que tienes en casa que tienen pequeñas grietas en sus superficies".

"Una batería de estado sólido real está hecha de capas apiladas de hojas cátodo-electrolito-ánodo. Fabricar estas sin ni siquiera la más mínima imperfección sería casi imposible y muy costoso", dijo Gu. "Decidimos que una superficie protectora podría ser más realista, y solo un poco de plata parece hacer un trabajo bastante bueno".

Investigaciones previas de otros científicos investigaron el uso de recubrimientos de Ag metálico en el mismo material de electrolito sólido —conocido como "LLZO" por su mezcla de átomos de litio, lantano y circonio, así como oxígeno— con el que trabajó el estudio actual. Si bien los estudios anteriores usaron plata metálica para mejorar el rendimiento de la batería, el nuevo estudio usó una forma disuelta de plata que ha perdido un electrón (Ag+). Esta plata disuelta y cargada —a diferencia de la plata metálica sólida— es directamente responsable de endurecer la cerámica contra la formación de grietas.

Los investigadores depositaron una capa de 3 nanómetros de espesor de plata sobre superficies de LLZO, luego calentaron las muestras hasta 300 °C (572 °F). Durante el calentamiento, los átomos de plata se difundieron en la superficie del electrolito, intercambiando lugares con átomos de litio mucho más pequeños a una profundidad de 20 a 50 nanómetros. La plata permaneció como iones cargados positivamente en lugar de plata metálica, lo que los científicos creen que es clave para prevenir la formación de grietas. Donde existen imperfecciones, la presencia de algunos iones de plata positivos también evita que el litio se intruya y crezca ramas destructivas dentro del electrolito.

"Nuestro estudio muestra que el dopaje de plata a nanoescala puede alterar fundamentalmente cómo se inician y propagan las grietas en la superficie del electrolito, produciendo electrolitos sólidos duraderos y resistentes al fallo para tecnologías de almacenamiento de energía de próxima generación", dijo el entonces Investigador Principal Xin Xu, ahora Profesor Asistente de Ingeniería en la Universidad Estatal de Arizona.

Aquí hay una entrevista exclusiva de Tech Briefs, editada por longitud y claridad, con Xu.

Tech Briefs: ¿Cuál fue el mayor desafío técnico que enfrentó al recocer el recubrimiento?

Xu: Antes de responder, quiero aclarar que definitivamente no somos el primer grupo en pensar en la plata. Los recubrimientos de plata se han usado en baterías de estado sólido por algunos años, principalmente como una capa intermedia entre el litio metálico y un electrolito sólido. Obviamente, funcionan bien. Pero abordamos esto con una idea ligeramente diferente. Empezamos a pensar en la plata como un elemento mágico. Es grande y es altamente polarizable.

Esto significa que los brazos de la plata son tan flexibles que pueden exprimir materiales en lugares donde los iones pequeños no pueden. Nuestra hipótesis aquí es muy simple: Si la plata pudiera difundirse o exprimir el electrolito en la celda, podría generar tensión compresiva y realmente endurecer el material. Esto hará que el material sea más resistente a las grietas.

Cuando tuvimos esta idea por primera vez, pensamos: '¿Qué tan difícil puede ser? Solo pon plata ahí'. Resultó ser tan, tan difícil. El mayor desafío técnico fue: Los electrolitos sólidos son extremadamente sensibles al aire. La humedad reacciona con CO2, y esto también formará una capa de contaminación en la superficie. Incluso en el laboratorio, esto sucede tan fácilmente. Una vez que se forma esta contaminación en la superficie del electrolito, la plata simplemente no puede hacer lo que queremos que haga.

Finalmente nos dimos cuenta de que la limpieza de la superficie lo era todo. Así que, si creamos una superficie ultra-limpia, la plata podía difundirse en el material del electrolito y generar la tensión compresiva que buscábamos. A partir de entonces, nos volvimos muy obsesivos con el control del entorno de laboratorio. Empezamos desde la preparación de la muestra, desde la caracterización del recubrimiento hasta las pruebas. Cada paso, todo se hizo en condiciones herméticas al aire controladas. Incluso diseñamos un recipiente de transferencia hermético al aire personalizado y único solo para este proyecto. Hasta lo vendemos en Amazon. Una vez que hicimos eso, los resultados fueron muy claros. Muy emocionantes.

Tech Briefs: ¿Tiene planes para trabajos futuros?

Xu: Tenemos varias cosas en mente para los próximos pasos. Primero, y creo que esta es probablemente mi parte favorita, queremos probar otros elementos. Estos resultados sugieren que el tamaño iónico es un factor clave. Si eso es cierto, la plata no es especial porque sea plata; es especial porque es grande. Esto significa que elementos más baratos pero grandes también podrían funcionar. Por ejemplo, sodio, potasio o cobre. De hecho, ya hemos tenido algunos resultados muy prometedores con cobre.