Revolucionando el almacenamiento de energía:las baterías de litio con electrolitos sólidos ofrecen seguridad, capacidad y velocidad

Andrés Corselli

Representación artística de una capa atómicamente delgada 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 recargable de litio metálico que sea más segura, contenga mucha más energía y se cargue considerablemente más rápido que las baterías de iones de litio disponibles comercialmente en la actualidad. Durante décadas, científicos e ingenieros han explorado varios caminos para hacer realidad la gran promesa de las baterías de metal litio. Un problema importante con los electrolitos sólidos cristalinos objeto de estudio ha sido la formación de grietas microscópicas que crecen durante el uso hasta que la batería falla.

Los investigadores de Stanford, basándose en los hallazgos que publicaron hace tres años que identificaron cómo se forman y expanden estas pequeñas imperfecciones, han descubierto que recocer una capa de plata extremadamente delgada sobre la superficie del electrolito sólido parece resolver en gran medida el problema. Como se informa en Materiales de la naturaleza , este recubrimiento endurece cinco veces la superficie del electrolito contra la fractura debido a la presión mecánica. También hace que las imperfecciones existentes sean mucho menos vulnerables al litio que se esconde en su interior, especialmente durante la recarga rápida, lo que convierte las nanofisuras en nanohendiduras y, finalmente, inutiliza la batería.

"El electrolito sólido en el que nosotros y otros estamos trabajando para mejorar es un tipo de cerámica que permite que los iones de litio se muevan hacia adelante y hacia atrás fácilmente, pero es frágil", dijo la autora principal Wendy Gu, profesora asociada de Ingeniería Mecánica. "A una escala increíblemente pequeña, no se diferencia de los platos o tazones de cerámica que tienes en casa, que tienen pequeñas grietas en sus superficies".

"Una batería de estado sólido del mundo real está hecha de capas de láminas apiladas de cátodo, electrolito y ánodo. Fabricarlas sin siquiera las imperfecciones más pequeñas sería casi imposible y muy costoso", dijo Gu. "Decidimos que una superficie protectora podría ser más realista y sólo un poco de plata parece funcionar bastante bien".

Investigaciones anteriores realizadas por otros científicos investigaron el uso de recubrimientos metálicos de Ag 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. Mientras que los estudios anteriores utilizaron plata metálica para mejorar el rendimiento de la batería, el nuevo estudio utilizó una forma disuelta de plata que ha perdido un electrón (Ag+). Esta plata disuelta y cargada, a diferencia de la plata sólida y metálica, es directamente responsable de endurecer la cerámica contra la formación de grietas.

Los investigadores depositaron una capa de plata de 3 nanómetros de espesor sobre las superficies de LLZO y 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 evitar la formación de grietas. Cuando existen imperfecciones, la presencia de algunos iones de plata positivos también evita que el litio entre y desarrolle ramas destructivas dentro del electrolito.

"Nuestro estudio muestra que el dopaje con plata a nanoescala puede alterar fundamentalmente cómo se inician y propagan las grietas en la superficie del electrolito, produciendo electrolitos sólidos duraderos y resistentes a fallas para tecnologías de almacenamiento de energía de próxima generación", afirmó el entonces líder de investigación Xin Xu, ahora profesor asistente de ingeniería en la Universidad Estatal de Arizona.

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con Xu.

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico al que se enfrentó al recocer el recubrimiento?

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

Esto significa que los brazos plateados 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 difundir o comprimir el electrolito dentro de la celda, podría generar tensión de compresión y, de hecho, endurecer el material. Esto hará que el material sea más resistente al agrietamiento.

Cuando tuvimos esta idea por primera vez, pensamos:'¿Qué tan difícil puede ser? Simplemente pon plata allí”. Resultó muy, muy difícil. El mayor desafío técnico fue:los electrolitos sólidos son extremadamente sensibles al aire. La humedad reacciona con el CO2 y este también formará una capa de contaminación en la superficie. Incluso en el laboratorio, esto sucede muy 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. Entonces, si creamos una superficie ultralimpia, la plata podría disolverse en el material del electrolito y generar la tensión de compresión que buscábamos. A partir de entonces, nos obsesionamos mucho con el control del entorno del laboratorio. Comenzamos desde la preparación de la muestra, desde la caracterización del recubrimiento hasta las pruebas. Cada paso se realizó en condiciones estrictamente controladas y sin aire. Incluso diseñamos un buque de transferencia sin aire, personalizado y exclusivo solo para este proyecto. Incluso vendemos esto en Amazon. Una vez que hicimos eso, los resultados fueron muy claros. Muy emocionante.

Resúmenes técnicos :¿Tiene algún plan para el trabajo futuro?

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 también podrían funcionar elementos más baratos pero grandes. Por ejemplo, sodio, potasio o cobre. De hecho, ya hemos obtenido algunos resultados muy prometedores con el cobre.