Las baterías en estado sólido son la gran promesa para los coches eléctricos. Su composición y características suponen una mejora considerable respecto a las actuales, pero su llegada a la producción a gran escala todavía no es una realidad. Ahora, investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (MPI-P) de Alemania, en colaboración con varias universidades japonesas, han llevado a cabo un profundo análisis sobre estas baterías.
Su objetivo se ha centrado en los efectos de carga espacial que hay en las baterías de estado sólido. Puede sonar algo técnico, pero es algo clave que podría potenciar notablemente el rendimiento de este tipo de baterías.
Una capa que genera resistencia adicional
Lo que han estudiado los investigadores es el fenómeno de la carga espacial. Este consiste en que, tanto durante la carga como durante la descarga de las baterías en estado sólido, se genera una resistencia adicional que limita su desempeño, sobre todo en el electrodo positivo, donde tienden a formarse con mayor intensidad. Gracias al estudio, se ha podido establecer un conocimiento que sirve de base para, mediante el empleo de otros materiales o modificando la estructura de los electrodos, reducir ese efecto.
Rüdiger Berger, jefe del grupo del MPI-P, lo explica de manera sencilla: “Una batería es una especie de bomba. En su interior se mueven iones, es decir, átomos cargados, que deben equilibrarse externamente mediante un flujo de electrones y, por lo tanto, una corriente eléctrica”. El problema radica en que cuando los iones migran dentro de la batería existe la posibilidad de que se formen capas de carga espacial en las interfaces internas, que lo que hacen es repeler al resto de iones que también están migrando. Esto hace que haya una resistencia extra dentro de la batería, lo que resulta en pérdidas que dificultan tanto los procesos de carga como los de descarga.
Gracias a sus pruebas, han descubierto que el efecto tiene lugar especialmente en el electrodo positivo, en el que se forma una capa de carga de menos de 50 nanómetros de grosor. Eso, en términos absolutos, es finísimo, pero en términos relativos es suficiente para entorpecer la recarga de la batería. Lo que han observado los científicos es que se trata de una capa dinámica, cuyo comportamiento varía según el estado de carga de la batería.
Detectado el problema, camino a la solución
Aunque se conocía la existencia de este efecto, había sido analizado por varios grupos de investigación que lograron resultados muy diferentes, por lo que no se sabía a ciencia cierta ni cómo se comportaba la película, ni el grosor real que tenía. Para conseguir conclusiones más precisas, el equipo utilizó dos técnicas microscópicas con el fin de localizar y analizar la formación de la capa de carga en tiempo real y con niveles de carga distintos.
La primera técnica que utilizaron consistió en examinar la sección transversal de la batería utilizando una aguja extremadamente fina. Con esto consiguieron analizar los potenciales eléctricos en tiempo real y ver cuál es la influencia local del voltaje. La segunda fue el análisis de reacciones nucleares, que es lo que posibilitó detectar la acumulación de litio en la interfaz del electrodo positivo. Taro Hitosugi, de la Universidad de Tokio y quien ha colaborado en el estudio, explica: “Ambas técnicas son nuevas en la investigación de baterías y podrían utilizarse para otros problemas en el futuro”.