Las baterías de metal de litio con electrolitos sólidos son livianas, contienen mucha energía y se pueden recargar muy rápidamente. Sin embargo, su desarrollo está siendo muy lento debido a los fallos provocados por misteriosos cortocircuitos que arruinan su estructura. El problema de los electrolitos sólidos no es nuevo y muchas investigaciones han estudiado el fenómeno.
La mayoría de ellos han obtenido conclusiones sobre cuales son las causas reales de este inconveniente. Abundan las teorías que dicen que el flujo involuntario de electrones es el culpable, mientras que otros apuntan a la química.
La nueva investigación da con la clave
Un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC ha descubierto que la causa principal por la que el litio se introduce en el electrolito sólido no son las fugas electrónicas o la reducción electroquímica, sino una combinación de concentraciones de corriente y la presencia de grietas nanométricas.
En este trabajo, los investigadores estudiaron estadísticamente el efecto de la tensión aplicada local y globalmente cuando se inicia la penetración de litio en un electrolito LLZO ( Li6.6La3Ta0.4Zr1.6O12).. Para ello utilizaron la microscopía electrónica de barrido con microsonda. Demostraron mediante más de 60 experimentos que, durante el proceso de carga rápida, los electrolitos cerámicos (sólidos) a menudo están imbuidos de grietas, abolladuras y fisuras nanoscópicas, muchas de ellas de menos de 20 nanómetros de ancho. Para hacerse una idea de esta magnitud, una hoja de papel tiene un grosor de unos 100.000 nanómetros).
“Una pequeña hendidura, flexión o torsión de las baterías puede causar que se abran fisuras nanoscópicas en los materiales y que el litio se inmiscuya en el electrolito sólido provocando un cortocircuito. Incluso el polvo u otras hacerlas fallar”, afirma William Chueh, autor principal del artículo publicado en la revista Nature Energy. Este descubrimiento resalta ”la capacidad de ajuste mecánico de las reacciones de recubrimiento electroquímico en electrolitos sólidos quebradizos”, añade.
El resultado de la investigación, como nunca se había visto
En cada experimento, los investigadores aplicaron una sonda eléctrica a un electrolito sólido creando una batería en miniatura, y usaron un microscopio electrónico para observarlo durante el proceso de carga rápida en tiempo real. Posteriormente, utilizaron un haz de iones a modo de bisturí para comprender por qué el litio se acumula solo en algunos lugares de la superficie cerámica, mientras que en otros excava profundamente hasta que el litio llega al electrolito sólido creando un cortocircuito.
Descubrieron que la diferencia de este comportamiento está en la presión. Cuando la sonda eléctrica simplemente toca la superficie del electrolito, el litio se acumula sobre el electrolito incluso cuando la batería se carga a potencias muy elevadas. Sin embargo, cuando la sonda presiona el electrolito cerámico, imitando las tensiones mecánicas de la muesca, la flexión y la torsión, es más probable que se produzca un cortocircuito en la batería. “Al excavar en el electrolito, el litio se abrirá camino, conectando el cátodo y el ánodo, y la batería acaba fallando”, Geoff McConohy, coautor del escrito.
Para comprender mejor el funcionamiento, los investigadores grabaron en vídeo el proceso, utilizando los microscopios electrónicos de barrido. Para explicar las imágenes, Xin Xu, coautor del artículo, lo asimila a la forma en la que aparece un bache en el pavimento. Las ruedas de los automóviles arrojan agua, procedente de la lluvia o la nieve acumulada sobre él, sobre las pequeñas imperfecciones preexistentes lo que produce grietas cada vez más grandes, que crecen con el tiempo: “El litio es en realidad un material blando, pero, como en la analogía del agua en el bache, todo lo que se necesita es presión para ampliar la brecha y causar un fallo”.
El equipo de Chueh busca ahora formas de usar estas mismas fuerzas para endurecer el material durante la fabricación, y también para recubrir la superficie del electrolito y evitar grietas o repararlas cuando surjan.
