Nuevo revestimiento protector mejora la seguridad y la densidad energética de las baterías de litio metálico

Universidad de Stanford, CA

Representación artística de un revestimiento atómicamente delgado de plata y algunos átomos de plata bajo la superficie, que protege la estructura cristalina de un electrolito sólido de la presión mecánica. (Imagen: Chaoyang Zhao)

El prometedor potencial de los electrolitos sólidos

Un electrolito sólido, en lugar de líquido, entre los electrodos opuestos de una batería debería permitir, en teoría, una batería recargable de litio metálico más segura, con mucha mayor densidad energética y carga considerablemente más rápida que las baterías de iones de litio disponibles comercialmente hoy en día. Durante décadas, científicos e ingenieros han explorado diversas vías para hacer realidad la gran promesa de las baterías de litio metálico. Un problema importante con los electrolitos sólidos cristalinos en estudio ha sido la formación de grietas microscópicas que crecen durante el uso hasta que la batería falla.

Un revestimiento de plata ultrafino como solución

Investigadores de Stanford, basándose en hallazgos que publicaron hace tres años sobre cómo se forman y expanden estas diminutas imperfecciones, han descubierto que el recocido de un revestimiento de plata extremadamente delgado en la superficie del electrolito sólido parece resolver el problema en gran medida. Según se informa en Nature Materials, este revestimiento 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 en su interior, especialmente durante la recarga rápida, que convierte nano-fisuras en nano-grietas y eventualmente deja la batería inutilizable.

"El electrolito sólido en el que nosotros y otros trabajamos para mejorar es un tipo de cerámica que permite el traslado fácil de iones de litio, pero es frágil", dijo Wendy Gu, profesora asociada de Ingeniería Mecánica y autora principal del estudio. "A 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. Fabricarlas sin ni siquiera las imperfecciones más diminutas sería casi imposible y muy costoso", dijo Gu. "Decidimos que una superficie protectora podía ser más realista, y solo un poco de plata parece hacer un trabajo bastante bueno".

Diferencia clave: iones de plata frente a plata metálica

Investigaciones previas de otros científicos investigaron el uso de recubrimientos de plata metálica (Ag) en el mismo material de electrolito sólido —conocido como "LLZO" por su mezcla de átomos de litio, lantano y circonio, además de oxígeno— con el que trabajó el estudio actual. Mientras que los estudios anteriores usaban 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 metálica sólida, 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 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 prevenir la formación de grietas. Donde existen imperfecciones, la presencia de algunos iones de plata positivos también evita que el litio se infiltre y crezca ramas destructivas dentro del electrolito.

"Este método puede extenderse a una amplia clase de cerámicas. Demuestra que los revestimientos superficiales ultrafinos pueden hacer que el electrolito sea menos frágil y más estable bajo condiciones electroquímicas y mecánicas extremas, como la carga rápida y la presión", dijo Xin Xu, quien en Stanford trabajó en el laboratorio del profesor William Chueh, autor principal del estudio y director del Instituto Precourt de Energía, parte de la Escuela Doerr de Sostenibilidad de Stanford.

Resultados experimentales y próximos pasos

Utilizando una sonda especializada dentro de un microscopio electrónico de barrido, los investigadores midieron la fuerza necesaria para fracturar la superficie. El electrolito sólido tratado con plata requirió casi cinco veces más presión para agrietarse, en comparación con el material sin tratar. Hasta ahora, los experimentos funcionaron con pequeñas muestras de prueba en lugar de baterías completas. Los investigadores están aplicando ahora el tratamiento superficial basado en plata a baterías completas de litio metálico para ver cómo funciona el revestimiento en condiciones reales, como ciclos repetidos de carga rápida y uso a largo plazo.

Además, el equipo investiga diversas estrategias para usar presión mecánica en diferentes ángulos que puedan prolongar la vida útil de la batería. También estudian métodos para prevenir fallos en otros tipos de electrolitos sólidos, como los basados en azufre, que pueden tener beneficios adicionales como una mayor estabilidad química con el litio. La aplicación de estos hallazgos a las emergentes baterías basadas en sodio es una posibilidad intrigante, que podría ayudar a aliviar las restricciones de la cadena de suministro en baterías basadas en litio.

La plata no es la única opción, dijeron los investigadores. Pruebas tempranas con otros metales menos costosos —como el cobre, por ejemplo— han mostrado resultados alentadores. En conjunto, estos hallazgos sugieren un nuevo enfoque flexible para endurecer los materiales frágiles que pueden ser cruciales para las baterías de próxima generación.

Para más información, contactar a Wendy Gu en wendygu@stanford.edu.